Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Ra đa thời tiết phân cực 1. Khái niệm Về cơ bản Ra đa hoạt động bằng cách phát ra năng lượng sóng điện từ cực ngắn dưới dạng các xung vào trong khí quyển với tốc độ ánh sáng, các xung năng lượng này khi gặp các mục tiêu khí tượng (mưa, mưa đá, băng, tuyết…) sẽ bị tán xạ và phản xạ ra nhiều hướng khác nhau trong không gian, trong đó có một phần quay trở lại phía ăng ten Ra đa. Từ tín hiệu quay trở về thông qua việc xử lý cùng với các thuật toán có thể xác định được vị trí và tốc độ dịch chuyển về phía hay ra khỏi Ra đa của các mục tiêu khí tượng [1].
Ra đa phân cực đơn chủ yếu phát và thu các xung năng lượng sóng điện từ theo phương ngang (H) (Hình 1. Do đó Ra đa loại này chỉ cho biết thông số về kích thước theo phương ngang của các mục tiêu khí tượng như: tuyết, tinh thể băng, mưa đá, mưa.Với bức tranh một chiều này rất khó để người sử dụng có thể nhận biết được sự khác biệt giữa các loại mục tiêu khí tượng khác nhau [11]. Ra đa thời tiết phân cực đơn (a) phân cực kép (b) [11]. So với các Ra đa thời tiết phân cực đơn thì Ra đa phân cực cụ thể hơn là Ra đa phân cực kép (Hình 1.1b) có khả năng phát và thu các xung sóng điện từ theo cả hai phương ngang (H) và phương thẳng đứng (V) luân phiên hoặc đồng thời cả hai 10 thay vì chỉ theo một phương.
Việc có thêm tín hiệu nhận được từ mục tiêu phản hồi trở về Ra đa theo phương thẳng đứng đã tạo ra một bức tranh hai chiều, cung cấp thêm cho người sử dụng những ước tính tốt hơn về kích thước, hình dạng, pha, sự định hướng trong không gian của các mục tiêu khí tượng từ đó đưa ra thêm các thông tin về mục tiêu nhằm nhận biết được mục tiêu mà Ra đa đang quan trắc là mưa, tuyết, các giọt mưa lớn hay nhỏ… Ngoài ra sự tương quan trong tín hiệu pha theo hai phương cũng rất khác nhau trong trường hợp tín hiệu là các mục tiêu giáng thủy so với các mục tiêu không phải giáng thủy [11]. Các nghiên cứu của NOAA và đang được áp dụng tại các Ra đa phân cực WSR-88D của Cơ quan thời tiết quốc gia Mỹ (NWS) [30] đã đưa ra được một số lợi ích khi sử dụng Ra đa phân cực kép như: Cải thiện độ chính xác của ước tính mưa từ đó nâng cao khả năng dự báo và cảnh báo lũ, lũ quét; Hỗ trợ trong việc phân biệt giữa mưa lớn, mưa đá, tuyết .; Cải thiện khả năng trong việc phát hiện các mục tiêu phi khí tượng (nhiễu bề mặt, nhiễu biển, máy bay, chim.); Phát hiện vị trí dải sáng, vv… 1. Các biến Ra đa phân cực Ngoài các sản phẩm quan trắc sẵn có từ Ra đa phân cực đơn như: Phản hồi vô tuyến, Vận tốc gió Doppler, Độ rộng phổ. Các Ra đa phân cực còn cung cấp thêm một số các sản phẩm mới còn được gọi là các biến phân cực, một số các biến thường được sử dụng như: Độ lệch phản hồi vô tuyến, Độ lệch pha riêng, Hệ số tương quan.
Từ việc sử dụng kết hợp các sản phẩm có sẵn và các biến mới từ Ra đa phân cực rất nhiều các sản phẩm đã được tạo ra cho các mục đích khác nhau tiêu biểu như: Sản phẩm lớp băng tan, Sản phẩm thuật toán phân loại các mục tiêu khí tượng, Sản phẩm mưa tích lũy. Dưới đây là một số mô tả chung về các biến Ra đa phân cực sẽ được sử dụng trong phạm vi của luận văn. Phản hồi vô tuyến (Reflectivity - Z) là thước đo biểu diễn năng lượng sóng điện từ phản hồi từ các mục tiêu trong khí quyển quay trở về Ra đa theo phân cực ngang, được định nghĩa bởi công thức (1. Đơn vị: mm6/m3 11 ∫ ( ) ( ) Trong đó: D là kích thước của hạt mưa, DH là hình chiếu của D theo hướng phân cực ngang Dmax là kích thước cực đại của các hạt mưa N(D) là phân bố kích thước của hạt mưa và một hàm số của D Bởi Z là một thước đo mà ở đó giá trị của nó biến đổi trong một pham vi rất rộng từ 10-3 đến 106 mm6/m3.
Do đó để thuận tiện trong thực tế sẽ sử dụng đơn vị đo là dBZ để biểu diễn độ PHVT với: ( )( ) Đối với mục tiêu của nghiên cứu chủ yếu là mưa, bởi hình dạng chủ yếu dẹt theo phương ngang do đó tác dụng của nó lên Z lớn. Khi hạt mưa càng có kích thước lớn ảnh hưởng của nó lên giá trị của Z càng lớn, nhờ đó kích thước của hạt mưa có thể được suy ra. Độ lệch phản hồi vô tuyến (Diferential Reflectivity - ZDR): Là sự khác nhau giữa hệ số phản hổi vô tuyến theo phương H so với phương V, đơn vị: dB. ( )( ) Trong đó: ZH, ZV lần lượt là giá trị PHVT tại phân cực ngang và thẳng đứng.
ZDR cho biết thông tin hình dạng hạt chủ yếu. Giá trị dương lớn cho biết mục tiêu có hình dạng theo phương ngang lớn hơn nhiều so với phương thẳng đứng, giá trị âm lớn thì ngược lại. Giá trị gần 0 cho biết các mục tiêu thường có dạng hình cầu. VD: nếu đối tượng có hình cầu (hạt mưa đá nhỏ, mưa phùn…) ZDR sẽ có giá trị gần 0 bởi hệ số PHVT theo phương H và V sẽ gần như tương đồng nhau, ngược lại ZDR (+) nếu đối tượng (mưa, mưa đá đang tan.) dẹt theo phương ngang và ZDR (-) nếu đối tượng dẹt theo phương thẳng đứng (các tinh thể băng dẹt theo phương thẳng đứng).
Việc sử dụng ZDR trong ước tính mưa định lượng cũng rất tốt bởi một 12 số các đặc tính như ZDR sẽ luôn có giá trị (+) đối với mưa do hình dạng dẹt ngang tự nhiên của các hạt, khi các hạt mưa càng lớn thì ZDR sẽ càng lớn. Đối với mưa đá, không giống như mưa các hạt mưa đá thường dịch chuyển theo dạng quay tròn do đó Ra đa phát hiện nó như một đối tượng có dạng hình cầu, làm giá trị của ZDR gần như bằng không, những nơi có tín hiệu xuất hiện mưa đá thường có giá trị Z cực đại cùng vị trí với vị trí của giá trị ZDR gần bằng 0. Trong khí tượng nghiệp vụ ZDR được sử dụng để xác định khu vực có dòng thăng hoạt động mạnh (ZRD có dạng cột nhỏ), khi dòng thăng mạnh nước lỏng sẽ được nâng lên phía trên lớp băng tan, sẽ tạo thành 1 cột ZDR bên trong dòng thăng, đây là một đặc điểm sẽ chỉ thấy ở các mực giữa và mực cao phía trên của lớp băng tan trong khu vực dòng thăng của một cơn dông mạnh. Có thể sử dụng ZDR để xác định được sự xuất hiện, vị trí, độ cao của lớp băng tan khi nó có dạng hình chiếc nhẫn với giá trị ZDR cao xung quanh vị trí Ra đa bởi ở lớp này băng đang tan được khoác ngoài một lớp nước do đó nó trông giống như hạt mưa với kích thước lớn.
Độ lệch pha riêng (Specific Differential Phase - KDP) là một phép đo sự khác nhau giữa pha của các xung tại phân cực H và V, pha của các xung thay đổi khi chúng đi qua khí quyển. KDP không được tính trực tiếp mà được tính toán thông qua ΦDP là sự khác nhau giữa độ trễ pha lan truyền theo phương H và V, đơn vị: 0 (độ) (1.4) Trong đó: ΦHH và ΦVV là góc pha hai chiều tại một khoảng cách cố định từ hướng đến của angten khi tín hiệu Ra đa ở phân cực H và V. Sau khi có được giá trị của ΦDP, giá trị của KDP sẽ được tính thông qua đạo hàm theo khoảng cách của ΦDP và được định nghĩa theo công thức (1. ( ) ( ) ( ) ( ) Việc sử dụng KDP thay cho ΦDP bởi vì ΦDP được tính toán theo dạng tích lũy, sẽ khó để hiểu và giải thích chi tiết về sự thay đổi khi dựa trên chỉ số này qua sản phẩm Ra đa trong khi đó với KDP sự thay đổi này thể hiện rõ hơn.
13 KDP được sử dụng trong việc xác định các khu vực mưa lớn. Giá trị KDP lớn nhất khi các xung đi qua khu vực xuất hiện các hạt mưa lớn. Đặc biệt trong trường hợp xuất hiện mưa đá với kích thước lớn và trung bình giá trị của KDP gần như không bị ảnh hưởng, tuy nhiên trong mưa đá nhỏ và gần như đang tan KDP sẽ có độ lớn 5-60/km ,do lúc này hạt mưa đá khi rơi xuống bề mặt (đang tan) được khoác một lớp nước bên ngoài khi đó nó cho giá trị của KDP lớn hơn so với mưa đá chưa rơi xuống (KDP gần bằng 0) Hệ số tương quan (Correlation Coefficient - CC) Một sản phẩm đo đạc cho biết sự tương quan giữa trạng thái của các xung phân cực H và V đang hoạt động bên trong 1 khối xung. Là một sản phẩm Ra đa đo đạc sự khác nhau giữa nhiều mục tiêu theo các phương H và V, giúp xác định liệu các mục tiêu trong khối là đồng nhất, đa dạng hoặc thậm chí hình dạng kì quặc.
Sử dụng CC có thể xác định được loại giáng thủy, phân biệt phản hồi từ mục tiêu có phải là mục tiêu khí tượng hay không. Giá trị của CC giao động trong khoảng từ 0 cho tới 1. Tuy nhiên các giá trị giữa 0.0 chỉ ra gần đồng nhất trong trạng thái xung. Các mục tiêu khí tượng với các hình dạng phực tạp, hoặc với mức độ thay đổi lớn nhìn chung sẽ có giá trị nằm giữa 0.
Các mục tiêu phi khí tượng, nhiễu bề mặt thường hay ra các trạng thái rất khác nhau giữa các xung, dẫn tới giá trị CC nhỏ hơn 0.9 (và thường ít hơn 0. Giới thiệu Ra đa thời tiết Pha Đin Trạm Ra đa thời tiết Pha Đin sử dụng hệ thống Ra đa phân cực kép băng sóng C loại WRM200, sản xuất bởi công ty Vaisala – Phần Lan, với công nghệ hiện đại cũng như đa dạng các sản phẩm cho người sử dụng. Trạm được đặt tại xã Tỏa Tình, huyện Tuần Giáo, Tỉnh Điện Biên (Tọa độ 21034’N và 1030 31'E). Trạm được xây dựng và đi vào hoạt động từ tháng 5 năm 2019, chịu trách nghiêm quản lý chính bởi Đài khí tượng cao không - Tổng cục khí tượng thủy văn.