CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ SỐ LIỆU RADAR BIỂN 1. Giới thiệu về hệ thống radar biển Radar biển Seasonde là loại radar sử dụng tần số cao HF (4-50 MHz, bước sóng 6-75m) không bị giới hạn có thể lan truyền xa, dải hoạt động rộng hơn so với hệ thống radar sử dụng sóng micro. Ngoài ra các tín hiệu phản hồi của sóng HF (từ bề mặt biển) theo một quy luật biết trước (nguyên lý Bragg) nên cho phép có được thông tin về sóng, dòng chảy cũng như một số thông tin khác. Radar biển Seasonde hoạt động dựa trên nguyên lý Doppler, tương tự như sung bắn tốc độ của cảnh sát giao thông.
Tín hiệu từ ăng ten phát của radar chạm vào bề mặt biển (sóng biển chuyển động) sau đó phản hồi lại và được thu bởi ăng ten thu. Trong quá trình thu sẽ có sự lệch pha tần số (Doppler shift) do sóng biển chuyển động. Sự lệch pha này tỉ lệ với tốc độ sóng/tốc độ dòng chảy biển, qua các phần mềm và thuật toán ta biết được tốc độ của dòng chảy biển. Quá trình thu tín hiệu radar và phân tích thành các đặc trưng của sóng và dòng chảy được chia thành 3 giai đoạn chính: phân tích vận tốc mục tiêu (tín hiệu radio thu được), khoảng cách đến mục tiêu và hướng của mục tiêu.
Hệ thống radar biển Việt Nam được đầu tư xây dựng theo đề án: “Đầu tư xây dựng hệ thống radar biển tần số cao (HF) phục vụ phòng tránh, giảm nhẹ thiên tai, phát triển kinh tế biển và góp phần bảo đảm an ninh quốc phòng ở vùng biển Việt Nam” do Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam thực hiện, đã hoàn thành giai đoạn 1 bao gồm xây dựng 03 trạm quan trắc radar biển HF ở vịnh Bắc Bộ và 01 trạm thu số liệu quan trắc tại Hà Nội. Hệ thống radar biển HF đảm nhận vai trò cung cấp dữ liệu hải văn như sóng biển, dòng chảy biển,. phục vụ dự báo vật thể trôi, lan truyền ô nhiễm, tràn dầu trên biển, cảnh báo sớm sóng thần, … góp phần tích cực vào phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng biển một cách hữu hiệu, cơ bản cho đất nước. Hiện nay, 4 trạm đã đi vào hoạt động (2 trạm ven bờ, 1 trạm đảo và 1 trạm điều hành trung tâm) thuộc giai đoạn I của dự án, trong các giai đoạn II đang đề 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xuất đầu tư xây dựng thêm 5 trạm radar biển trong đó 2 trạm thuộc khu vực Vịnh Bắc Bộ và 3 trạm vùng biển Nam Bộ (hình 1) trong toàn bộ hệ thống radar dự kiến 17 trạm trải đều dọc ven biển và đảo của Việt Nam nhằm đáp ứng của công tác quản lý nhà nước và hoạt động điều tra cơ bản về biển theo đúng chức năng, nhiệm vụ của Trung tâm Hải văn.
Cụ thể là công tác điều tra cơ bản về trạng thái tự nhiên của mặt biển, bao gồm sóng và dòng chảy bề mặt biển. Hình 1: Sơ đồ vị trí hệ thống trạm radar đã thực hiện giai đoạn I và dự kiến giai đoạn II 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hệ thống radar biển đang vận hành ổn định với chế độ thu dữ liệu 1 giờ/ lần quan trắc. Phạm vi quan trắc dòng chảy lớn nhất là 300 km với bước lưới không gian là 5.825 km, tần số phát 4. Phạm vi quan trắc sóng từ 11.25 km tính từ tâm là vị trí trạm radar.
Các dữ liệu quan trắc từ hệ thống rada biển này bao gồm số liệu trường dòng chảy 2 chiều và số liệu quan trắc sóng trong phạm vi hoạt động của radar và được cập nhận tự động liên tục về trạm trung tâm thông qua đường truyền internet. Số liệu radar biển Số liệu quan trắc sóng Số liệu quan trắc sóng hiện nay được thực hiện tại 3 trạm radar với các thông số bao gồm: Độ cao, hướng và chu kỳ sóng. Tính năng quan trắc sóng được thực hiện thông qua 1 trong hai lựa chọn: Quan trắc các tham số sóng trung bình cho từng cell (trung bình của mỗi cung cách vị trí trạm một khoảng là bội của 5.8 km) hoặc quan trắc các tham số sóng tại các vị trí trên tia trung truyến của góc quét ứng với từng cell. Tần suất quan trắc 1 giờ/lần.
Hiện nay các trạm radar được cài đặt để đo sóng tại vị trí trên tia trung tuyến của góc quét từ cell thứ 01 đến cell thứ 10, tương ứng với các ô trên tia trung tuyến cách vị trí trạm lần lượt là: 5,8; 11,6; 17,5; 23,3; 29,2; 35,0; 40,8; 46,6 và 58,3 km. Hình 2: Số liệu quan trắc sóng trong tháng 3 năm 2011 tại vị trí cell thứ 3 (cách trạm 17.5 km) tại trạm Đồng Hới 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Số liệu quan trắc dòng chảy Dòng chảy được quan trắc tại mỗi trạm radar là trường dòng chảy hướng tâm với phạm vi quan trắc tối đa là 300 km, tần suất quan trắc 1 giờ/lần. Các dữ liệu dòng chảy này được truyền về tạm trung tâm và xử lý để tổng hợp thành trường dòng chảy 2 chiều trong phạm vi quan trắc của hệ thống trạm radar. Hình 3: Trường dòng chảy hướng tâm quan trắc lúc 03 giờ ngày 03 tháng 12 năm 2014 tại trạm Nghi Xuân Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này chỉ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng số liệu dòng chảy từ quan trắc bằng radar.
Một số ứng dụng của radar biển Dự báo các điều kiện thời tiết trên biển: Số liệu radar HF có thể được sử dụng trong việc dự báo điều kiện thời tiết biển (kết hợp với dự báo thời tiết nói chung) cũng như nghiên cứu các điều kiện, 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trạng thái bề mặt biển trong bão, điều mà trước đây với các thiết bị hải văn đã có rất nhiều khó khăn hoặc không thực hiện được. Phục vụ cho công tác đánh bắt thủy sản Trên cơ sở số liệu từ radar HF ta có được bản đồ hướng và tốc độ dòng chảy biển với những vùng nước xoáy. Kinh nghiệm cho thấy, tâm của những vùng nước xoáy này hội tụ rất nhiều cá và các loại hải sản khác. Vị trí của những tâm xoáy nước này được xác định bằng kinh độ và vĩ độ và sẽ được dự báo cho ngư dân trong việc đánh bắt hải sản.
Tại Mỹ và một số nước đã thực hiện dự báo vùng tập trung cá cho thấy, đánh bắt cá tại tâm xoáy nước cho sản lượng nhiều gấp 7-8 lần so với những vùng nước lân cận. Phục vụ cho đánh giá ô nhiễm và lan truyền ô nhiễm biển Một ví dụ cho thấy tác dụng của radar HF trong việc cảnh báo ô nhiễm biển do chất thải ra biển. Năm 2003, thành phố Santa Rosa (Mỹ) dự kiến thải nước thải ra biển tại Vịnh Bodega. Các nhà khoa học đã sử dụng số liệu thu được từ 3 trạm radar HF trong một tuần để mô hình hóa sự lan truyền của chất thải ra biển.
Từ mô hình chuyển động (lan truyền) của chất thải cho thấy, thay vì chất thải đi thẳng ra biển, nó lại di chuyển dọc theo bờ biển đến khu vực bảo tồn sinh thái biển, nơi có nhiều dải san hô và như vậy, sẽ có nguy cơ tàn phá khu vực sinh thái vùng biển này. Từ kết quả nghiên cứu trên, chính quyền thành phố đã cho đình chỉ dự án thải nước thải ra biển như ban đầu dự kiến. Mô hình này cũng được áp dụng để đánh giá sự lan truyền của dầu tràn trên biển. Ứng dụng trong cứu hộ cứu nạn trên biển Một ví dụ khác cho thấy, ứng dụng hữu hiệu của radar HF trong cứu hộ cứu nạn trên biển.
Trên bản đồ hướng và dòng chảy biển của Radar HF đã xác định điểm một con thuyền bị tai nạn và phát tín hiệu cấp cứu. Sau 30 giờ con thuyền đã trôi đi một quãng xa so với vị trí ban đầu và cần phải xác định hiện tại thuyền đang ở vị trí nào để có thể cứu hộ. Như vậy, với số liệu dòng chảy và sóng thu được, tiến hành xác định hướng và dòng chảy bề mặt biển cùng với phần mềm của radar HF 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (Codar Leeway) sẽ xác định được vị trí gần sát với thực tế di chuyển của con thuyền và việc cứu hộ cứu nạn trên biển dễ dàng hơn. Ứng dụng trong điều hành tầu thuyền qua lại eo biển, cảng Tại vùng Tokyo và vịnh Sagami, dòng chảy biển rất mạnh và thay đổi liên tục, trong khi có đến 90% tàu thuyền phải qua lại khu vực này.
Nếu không có chỉ dẫn và điều hành hàng hải thì sẽ gây nguy hiểm cho tàu bè qua lại. Sử dụng 02 radar HF được lắp đặt tại đây, cung cấp số liệu thời gian thực (real-time) về tốc độ và hướng dòng chảy biển, từ đó có sự điều hành tàu bè qua lại đảm bảo an toàn và hiệu qủa cao nhất. Nhiều cảng biển và căn cứ hải quân trên thế giới sử dụng radar HF vào mục đích này. Ứng dụng trong phối hợp để tăng độ chính xác dự báo số trị Số liệu radar biển được sử dụng kết hợp mô hình số trị trong việc đồng hóa số liệu để tạo trường ban đầu cho các mô hình động lực.
Các trường ban có độ chính xác cao góp phần tăng độ chính xác của các kết quả dự báo từ mô hình số trị. Các nghiên cứu chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía tây của biển, rộng từ 105o36’E đến 109o55’E trải dài từ vĩ tuyến 17oN đến vĩ tuyến 21oN, diện tích khoảng 160.000 km2, chu vi khoảng 1.950 km, trong đó phía bờ Việt Nam là 740 km, chiều dài vịnh là 496 km, nơi rộng nhất là 314 km. Vịnh Bắc Bộ được bao bọc bởi bờ biển miền Bắc Việt Nam ở phía tây, bờ biển Nam Trung Hoa ở phía bắc trong đó có bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam. Bờ biển khúc khuỷu với khoảng hơn 2.300 hòn đảo lớn nhỏ, tập trung chủ yếu ở phía ven bờ Việt Nam.
Đặc biệt đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm khoảng giữa vịnh với diện tích 2,5 km2 cách đảo Hòn Dấu, Hải Phòng khoảng 110 km. Khối nước của Vịnh Bắc Bộ chủ yếu giao lưu với Biển Đông qua cửa phía nam của vịnh rộng chừng 230 km và sâu hơn 100 m. Một phần nhỏ nước được trao đổi qua eo biển hẹp (18 km) và không sâu (20 m) Quỳnh Châu. Do độ sâu của biển không lớn nên hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái Lan được hình thành chủ yếu 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.