Chương 1. Tổng quan về dự báo thời tiết. Phương pháp synop và mô hình dự báo số trị. Xây dựng hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 10- Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT Trong chương này phần đầu sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về thời tiết, mạng lưới quan trắc khí tượng của Việt Nam và hệ thống trao đổi số liệu khí tượng của tổ chức khí tượng thế giới WMO. Phần còn lại của chương sẽ trình bày khái niệm hình thế thời tiết và các hình thế thời tiết đặc trưng ảnh hưởng đến Việt Nam.1 Khái niệm về thời tiết Trạng thái tổng hợp của các hiện tượng vật lí xảy ra trong khí quyển hay còn gọi là hiện tượng khí tượng như: mây, giáng thuỷ, sương mù, dông,… và các yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, khí áp, độ ẩm,… trong một thời kì nhất định tại một địa phương nào đó được gọi là thời tiết của địa phương trong thời gian đó [3]. Thời tiết của một địa phương trong một thời kì xác định đặc trưng bởi mức độ nổi trội của một vài hiện tượng hoặc yếu tố khí tượng cũng như sự biến thiên của chúng theo thời gian. Chẳng hạn, thời tiết của tuần vừa qua ở địa phương này có thể nói là khô và nóng vì nhìn chung nhiệt độ cao và độ ẩm thấp chiếm ưu thế, mặc dù trong từng lúc, thời tiết có thể có mưa và mát.
Hoặc có thể nói thời tiết của một tháng nào đó ở một địa phương nào đó là lạnh và có mưa trong nửa tháng đầu và tương đối nóng, không mưa trong nửa tháng cuối. Thời tiết là một tổ hợp các hiện tượng và các yếu tố khí tượng xảy ra trong một bề dày nhất định của khí quyển. Vì vậy, nghiên cứu khí quyển không thể chỉ nghiên cứu ở một mực hoặc từng mực riêng biệt mà phải nghiên cứu một cách tổng hợp các độ cao khác nhau. Trong nhiều trường hợp, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 11- ở gần mặt đất có thể có mây thấp, sương mù,… cản trở máy bay hoạt động, nhưng ở trên cao lại không có mây nên máy bay có thể hoạt động dễ dàng.
Theo quan điểm đó, có thể coi, ở các độ cao khác nhau, thời tiết có khác nhau.2 Quan trắc thời tiết 1.1 Mạng lƣới trạm khí tƣợng Để có được các thông tin dự báo thời tiết, người ta xây dựng và tổ chức hoạt động một mạng lưới trạm quan trắc khí tượng các loại. Mỗi trạm khí tượng đều được xác định toạ độ bằng kinh độ, vĩ độ và độ cao so với mực nước biển trung bình. Mỗi trạm cũng có tên riêng (thường là tên địa danh nơi lập trạm) và mã số riêng của trạm gồm 5 chữ số, trong đó 2 số đầu là mã số vùng và 3 số sau là mã số trạm. Mạng lƣới quan trắc bề mặt Trên bề mặt, các trạm khí tượng được xây dựng ở đồng bằng, vùng núi, sa mạc, băng dương, hải đảo,… tức là trên mọi miền có những đặc điểm thời tiết khác nhau.
Khoảng cách giữa các trạm khí tượng bề mặt mau hay thưa tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp của địa hình và do đó phụ thuộc vào mức độ không đồng nhất của thời tiết ở các địa phương. Thông thường, ở vùng đồng bằng, khoảng cách giữa các trạm từ 70-100 km, còn ở vùng núi chỉ từ 50- 70km hoặc gần hơn. Tại các trạm khí tượng bề mặt người ta quan trắc khí áp, nhiệt độ không khí, nhiệt độ các lớp đất gần bề mặt đất, độ ẩm không khí, độ bốc hơi nước, hướng và tốc độ gió, các hiện tượng thời tiết đã qua và hiện tại (mây, mưa, dông, sương mù, tố, lốc, bão bụi, tầm nhìn xa, …), tổng lượng mưa 6 giờ hay 12 giờ (ngày và đêm). Các trạm khí tượng bề mặt thường xuyên báo cáo ngay kết quả quan trắc về các trung tâm theo dõi và dự báo thời tiết, được gọi là các LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 12- trạm khí tượng synop.
Các trạm khác, các số liệu quan trắc được thu thập để nghiên cứu khí hậu, thời tiết, được gọi là các trạm khí hậu Trạm đo mưa: Bên cạnh mạng lưới trạm khí tượng bề mặt nói trên người ta còn lập một mạng lưới trạm và tiêu đo mưa có mật độ dày đặc hơn. Mức độ dày đặc các trạm và tiêu đo mưa tuỳ thuộc vào nhu cầu và khả năng thiết lập, vận hành thực tế. Khoảng cách giữa các điểm đo mưa thường vào khoảng từ 5-10km. Trạm tàu biển: Trên biển, ngoài các trạm đảo, người ta còn đặt các trạm quan trắc trên các tàu viễn dương để bổ sung cho số liệu trên biển, được gọi là trạm ship.
Ngoài các hạng mục quan trắc như ở các trạm khí tượng bề mặt, các trạm ship còn cung cấp cả hướng và tốc độ tàu lúc quan trắc. Trạm đảo và trạm ship còn quan trắc cả hướng, độ cao và chu kì của sóng gió và sóng lừng thuộc vùng biển quan trắc. Trạm phao: Ở các vùng biển quan trọng, thường xuyên cần có số liệu quan trắc, không thể chỉ dựa vào các tàu biển qua lại đó, người ta lập các trạm quan trắc tự động, tự báo, đặt trên các phao được neo đậu cố định, đó là các trạm phao. Nội dung quan trắc của một trạm phao cũng giống như của một trạm đảo.
Ở các trạm khí tượng bề mặt, để có thể so sánh được khí áp và nhiệt độ quan trắc tại trạm thường được quy về mực biển vì các đại lượng này thay đổi theo độ cao mà mỗi trạm thường có độ cao khác nhau so với mực biển. Mạng lƣới quan trắc trên cao Trạm khí tượng cao không: Để có số liệu khí tượng tại các tầng khí quyển trên cao, người ta lập ra các trạm khí tượng thám không, thường gọi là trạm khí tượng cao không. Tại đây người ta thả những quả bóng lớn mang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 13- theo máy thám không tự động. Tại trạm, người ta sẽ thu được các thông tin như: vị trí máy thám không, số liệu khí áp, nhiệt độ, độ ẩm không khí, gió,.
Trạm pilot: các trạm pilot chuyên đo gió trên cao. Tại các trạm này người ta quan sát quả bóng bay sau khi thả lên để xác định hướng và tốc độ gió. Nhược điểm lớn của trạm này là bóng hay bị lấp ở trong mây. Để khắc phục, người ta đeo vào bóng một miếng kim loại phản xạ sóng radar do trạm phát ra.
Nhờ sóng phản hồi, vị trí của bóng vẫn có thể được xác định ngay cả khi có mây, những trạm như vậy gọi là trạm vô tuyến đo gió (trạm rawind). Các trạm trên núi cao quan trắc hướng gió, tốc độ gió, khí áp, nhiệt độ và độ ẩm không khí mực trạm. Trạm có độ cao khoảng 1500m quy số liệu về mực 850mb, trạm có độ cao khoảng 3000m quy số liệu về mực 700mb (không quy về mực biển). Hệ thống những trạm khí tượng cao không, rawind, pilot lập thành mạng lưới trạm khí tượng cao không.
Khoảng cách giữa chúng thường dao động trong khoảng từ 200-300km. Trạm cầu bay: Để theo dõi quá trình biến tính của một khối không khí, người ta gắn một trạm quan trắc tự động vào một khinh khí cầu thả trôi theo gió. Theo những khoảng thời gian nhất định trạm quan trắc tự động lại thông báo về các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, khí áp và vị trí của trạm, từ đó hướng và tốc độ gió cũng được xác định. Đó là những trạm cầu bay.
Trạm khí tượng lớp biên: Để quan sát các yếu tố khí tượng trong lớp biên khí quyển sát đất, người ta lập những tháp (thường có độ cao từ 60- 100m) hoặc là lợi dụng những tháp cao như tháp truyền hình và gắn vào đó những máy quan trắc tự động ở những độ cao 5, 10, 15, 20,… 100m để đo các yếu tố khí tượng một cách chi tiết trong lớp này, đó là những tháp quan trắc khí tượng lớp biên. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 14- Vệ tinh khí tƣợng Những số liệu khí tượng được vệ tinh khí tượng quan trắc thu thập rồi truyền về các trạm thu và xử lí số liệu ở mặt đất được gọi là số liệu khí tượng vệ tinh. Số liệu vệ tinh bao phủ những vùng rất rộng lớn, kể cả trên đại dương, nơi có rất ít số liệu quan trắc bề mặt. Ngày nay, số liệu vệ tinh đóng vai trò đặc biệt hữu ích trong giám sát các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như xoáy thuận nhiệt đới, gió mùa, mưa lớn,.
Dựa vào đặc tính của quỹ đạo chuyển động, người ta chia vệ tinh khí tượng ra làm hai loại cơ bản là vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực. Vệ tinh địa tĩnh (VTĐT): Là vệ tinh nằm trên mặt phẳng xích đạo, có độ cao khoảng 36.000 km và có vận tốc góc quay tương đương với vận tốc góc quay của trái đất. Do vậy, ảnh chụp từ các vệ tinh địa tĩnh luôn là một vùng cố định trên trái đất. Một số vệ tinh địa tĩnh thông dụng trong nghiệp vụ khí tượng như: vệ tinh GMS của Nhật (1400E), vệ tinh GOES của Mỹ (GOES-E: 750W, GOES-W: 750E), METEOSAT của châu Âu (00), INSAT của Ấn-độ (93,50E), FY-2 của Trung Quốc (1050E).
VTĐT có ưu điểm là có độ phân giải thời gian rất cao và có thể quan trắc được trên một vùng rất rộng (gần một nửa trái đất: 60 0N-600S). Thế nhưng nhược điểm của nó là độ phân giải không gian không lớn, không quan trắc được ở những vùng gần cực, khó có thể phát hiện các tín hiệu yếu vì nó được đặt cách xa trái đất. Vệ tinh quỹ đạo cực (VTQĐC): Là vệ tinh có quỹ đạo gần song song với đường kinh tuyến. Mỗi một vòng quay, VTQĐC đi qua hai vùng cực của trái đất.
Một số vệ tinh thường được dùng trong nghiệp vụ như: TIROS, NOAA, QuickSCAT, TRMM (Mỹ), METEOR (Liên Xô cũ), FY-1 (Trung LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Từ mỗi trạm thu cố định trên trái đất, người ta có thể thu được 2 lần ảnh trong một ngày khi nó đi qua vùng phủ của trạm thu. Ưu điểm của số liệu VTQĐC là có độ phân giải không gian cao do nó chuyển động ở rất gần bề mặt của trái đất (độ cao của vệ tinh chỉ từ 300- 1000km). VTQĐC có thể quan trắc được những tín hiệu rất yếu từ bề mặt trái đất, ví dụ vệ tinh QuickSAT dùng để thám sát gió trên biển, TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission) dùng để thám sát mưa vùng nhiệt đới,.