CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA 1. Giới thiệu chung về ra đa thời tiết 1. Nguyên lý hoạt động của ra đa: RADAR là từ viết tắt tiếng Anh của cụm từ “Radio Detection And Ranging” – là một phương tiện kỹ thuật phát hiện và xác định mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Nguyên tắc hoạt động của ra đa dựa vào sự lan truyền, phản xạ của sóng điện từ.
Khi ra đa phát 1 tín hiệu sóng điện từ vào không gian qua ăng ten, sóng lan truyền về phía mục tiêu, gặp mục tiêu bị phản xạ trở lại. Từ tín hiệu phản xạ trở lại, vị trí của vật mục tiêu sẽ được xác định thông qua các tham số bao gồm: khoảng thời gian giữa thời điểm phát đi tín hiệu điện từ và thời điểm nhận được tín hiệu phản hồi, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian (bằng tốc độ ánh sáng) và góc cao, góc hướng của ăng ten. Ra đa thời tiết hoạt động cũng trên nguyên tắc đó, nhưng với đối tượng cụ thể là các mục tiêu khí tượng là giáng thủy. Độ lớn của tín hiệu phản xạ thu được phụ thuộc vào tính chất hạt của mục tiêu khí tượng gây ra phản hồi.
Dựa trên độ lớn của tín hiệu thu được, qua các công thức toán học và tính toán thống kê người ta nhận dạng được các mục tiêu khí tượng. Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa - Mục tiêu khí tượng: Mục tiêu khí tượng của ra đa chủ yếu là mây và mưa. Ra đa thời tiết dùng để phát hiện mây, mưa và các hiện tượng thời tiết liên quan. Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tượng là loại mục tiêu đặc biệt, chúng không phải là mục tiêu có tính chất đồng nhất mà gồm tập hợp các hạt nước có hình dạng, kích thước và trạng thái khác nhau.
Có hai loại mục tiêu khác nhau: Mây: Là tập hợp các hạt nước, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngưng kết hơi nước.Trong một đám mây, các hạt có thể tồn tại ở một thể thống nhất hoặc hỗn hợp ở hai thể rắn và lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác của môi trường. Mưa: Khi các hạt nước, hạt đá, hạt băng tuyết trong mây đủ lớn, trọng lực của chúng thắng được lực cản của môi trường, rơi xuống đất gọi là mưa. - Tính chất của mục tiêu khí tượng 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục tiêu khí tượng khác nhau về hình dáng, kích thước và tính chất vật lý của chúng. Mây đối lưu, là mây phát triển thẳng đứng.
Chúng gồm một hoặc nhiều đám kết hợp với nhau, tồn tại từ vài chục phút đến vài giờ. Mây tầng và mây vũ tầng là mây phát triển theo chiều ngang, có diện tích lớn, tồn tại lâu từ vài giờ đến vài ngày. Tính chất vật lý vi mô của mây cũng thay đổi rất nhanh theo không gian và thời gian do các quá trình vật lý xảy ra trong đó. Trong mây đối lưu, kích thước và trạng thái hạt luôn thay đổi theo thời gian.
Sự thay đổi về kích thước và trạng thái hạt theo không gian và thời gian dẫn đến sự thay đổi các đặc trưng vật lý vô tuyến của mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết. - Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng Như đã nêu, mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết là mây và mưa. Việc sử dụng nguyên lý ra đa trong quan trắc, phát hiện các mục tiêu nói trên là: ra đa bức xạ sóng điện từ vào không gian, khi gặp mây hoặc mưa, một phần năng lượng sóng điện từ xuyên qua hạt tiếp tục đi vào không gian, một phần bị các hạt vật chất hấp thu chuyển hóa thành nội năng, một phần khác bức xạ ngược trở lại theo mọi hướng khác nhau, trong đó có hướng đi về hướng ăng ten ra đa. Cường độ của dòng năng lượng bức xạ ngược trở lại ăng ten được quyết định bởi diện tích phản xạ hiệu dụng của mỗi hạt ( ) trong mây hoặc mưa.
Nếu giả thiết hạt là hình cầu thỏa mãn tán xạ Rayleigh thì ta có thể tính được khi biết dộ dài bước sóng và chỉ số khúc xạ của môi trường thông qua công thức sau: 64 5 ai6 2 i = 4 i (1.2) mi 2 Trong đó: i - Diện tích phản xạ hiệu dụng của hạt vật chất a - Bán kính hạt và D là đường kính hạt - Độ dài bước sóng ra đa (cm) mi- Chỉ số khúc xạ phức của hạt vật chất cấu tạo nên hạt 2 Thừa số i phụ thuộc vào trạng thái pha của hạt đối với hạt chất lỏng là 0.04 và hạt băng là 0,197 Như vậy cùng với một kích thước, diện tích tán xạ hiệu dụng của hạt nước lớn gấp 5 lần hạt băng. Vì mục tiêu khí tượng là tập hợp các hạt, nên ta cần phải xét mặt phẳng tán xạ hiệu dụng của một đơn vị thể tích của mục tiêu, nó bằng tổng các mặt phẳng tán xạ 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hiệu dụng của từng hạt trong đơn vị thể tích đó. Diện tích phản xạ của một đơn vị thể tích của mục tiêu khí tượng là: 2 N 64 5 N = i i 1 4 i ai6 i 1 (1.3) Trong đó N là số hạt trong đơn vị thể tích, còn gọi là hệ số tán xạ có đơn vị -1 là m. Tín hiệu phản xạ thu được tại đầu vào của máy thu ở một thời điểm là tập hợp tín hiệu phản xạ của tất cả các hạt nằm trong một phần Vu của thể tích khối xung được ra đa coi là về cùng một lúc.
Vu được coi là thể tích phân giải của khối xung, nó có mối quan hệ mật thiết với thời gian phân giải của ra đa. Đối với ra đa thì thời gian phân giải bằng / 2 , trong đó là độ rộng xung phát.1 Minh họa cách tính nửa thể tích xung phát [8] Có thể chứng minh được rằng Vu bằng nửa thể tích khối xung.1 ta thấy các hạt mưa trong khối xung sẽ bị sóng chiếu vào và cùng tạo ra các sóng phản hồi. Tuy nhiên các sóng phản hồi này lại không về ra đa cùng một lúc do chúng khác nhau về khoảng cách. Tất cả các hạt nằm trong khối nón cụt có chiều dài bằng h/2 (h là chiều dài không gian của xung) dọc theo búp sóng ở lân cận khoảng cách r (từ r-h/4 đến r + h/4), mặt bên của nón là mặt bên của búp sóng, đều cho tín hiệu phản hồi về tới ra đa ở các thời điểm lệch nhau không quá / 2 (từ t- / 4 đến t + / 4 ).
Thể tích của nón cụt xấp xỉ bằng ½ thể tích của khối xung (thể tích phân giải của khối xung): h Vu = R 2 (1.4) 2 trong đó R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R và độ rộng cánh sóng và khoảng cách từ ra đa đến mục tiêu (r) có mối liên hệ: R=r (1.5) 2 2 2 2 r h r h Do vậy Vu= (1.6) 2 2 8 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuy nhiên, muốn tính chính xác hơn thể tích phân giải của khối xung Probert và Jones được nêu bởi Nguyễn Hướng Điền và Tạ Văn Đa [8] đã tính đến sự khác biệt giữa vai trò của các hạt nằm dọc theo trục của búp sóng với những hạt nằm xa trục đó vì rõ ràng là công suất sóng chiếu tới chúng khác nhau. Với giả thiết “công suất” sóng phát mạnh nhất theo hướng trục búp sóng (Pmax) và giảm dần ra xung quanh (tới P1/2 ở rìa búp sóng) theo quy luật phân bố chuẩn, Probert và Jones đã tìm được công thức tính thể tích phân giải “hiệu dụng” của khối xung r 2 2 h Vue= (1.7) 16 ln 2 Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m khi đó sẽ là: N m Vue Vue i (1.8) ta sẽ được diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng: 2 2 r 2 h 64 5 N 6 6 r 2 2 h N m i i 16 ln 2 4 K a K i Di6 (1.9) 16 ln 2 4 i 1 i 1 Từ phương trình (1.9) ta thấy rằng diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng phụ thuộc vào trạng thái pha của hạt và đường kính hạt. Mặt khác, trong N 2 phương trình ra đa Probert-Jones, độ PHVT của mục tiêu khí tượng Z Ki Di6 do i 1 vậy ta thấy rằng độ PHVT phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu.
Mạng lưới ra đa thời tiết tại Việt Nam Trạm ra đa thời tiết MRL-2 của Liên Xô đầu tiên được lắp đặt ở nước ta năm 1977 là chủng loại ra đa chưa số hoá. Hiểu được tầm quan trọng mà nguồn số liệu ra đa mang lại, đến năm 1993 với sự giúp đỡ của Nga, 2 trạm ra đa MRL-5 thế hệ mới hơn được lắp đặt tại Vinh và Phù Liễn, đây đều là chủng loại ra đa chưa số hoá. Năm 2000 với sự giúp đỡ của chính phủ Pháp, 3 trạm ra đa số hoá thông thường TRS-2730 được lắp đặt nhằm cung cấp số liệu nhanh chóng và chính xác hơn. Trong những năm gần đây, theo yêu cầu phát triển của ngành và sự bùng nổ của khoa học công nghệ các ra đa thời tiết Doppler hiện đại đã được lắp đặt và một số ra đa cũ được nâng cấp.
Hiện tại mạng lưới ra đa đã có 7 trạm với 8 ra đa đang hoạt động trong đó 1 ra đa MRL-5 của Nga mới nâng cấp năm 2010; 03 ra đa TRS-2730 của Pháp và 04 ra đa DWSR 2500C-2501C của Mỹ. Nhìn chung mạng lưới ra đa hiện đang hoạt động khá ổn định, số liệu ra đa mặc dù chưa được khai thác hết theo tiềm năng nhưng cũng đã 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đóng góp đáng kể trong việc quan trắc, phát hiện và cảnh báo thời tiết nguy hiểm, đặc biệt là trong quan trắc xác định tâm bão, áp thấp nhiệt đới gần bờ.