Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề bởi thiên tai, đặc biệt là các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như mưa lớn diện rộng, dông mạnh, tố lốc và bão. Với bờ biển dài hơn 3.500 km và trung bình mỗi năm có từ 5-7 cơn bão, trong đó 2-3 cơn đổ bộ vào đất liền, việc dự báo và cảnh báo sớm các hiện tượng này là vô cùng cấp thiết nhằm giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Ra đa thời tiết, sử dụng sóng vô tuyến điện để quan trắc và phát hiện các hiện tượng khí tượng, đã trở thành công cụ quan trọng trong dự báo thời tiết hiện đại. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả dữ liệu ra đa, việc xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông theo đặc điểm địa phương là cần thiết, bởi mỗi vùng có điều kiện khí hậu và tính chất giáng thủy khác nhau.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ, khu vực Trung Trung Bộ, nơi có đặc điểm địa hình phức tạp với núi cao và dải đồng bằng hẹp, đồng thời chịu ảnh hưởng của cả hai hệ thống gió mùa và thường xuyên có bão, áp thấp nhiệt đới. Nghiên cứu sử dụng số liệu ra đa và số liệu đo mưa tự động trong các tháng mùa mưa (tháng 8 đến tháng 12) của các năm 2007, 2010 và 2011 nhằm xây dựng các ngưỡng giá trị phản hồi vô tuyến (PHVT) tương ứng với xác suất xuất hiện mưa và dông. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác dự báo, cảnh báo sớm hiện tượng thời tiết nguy hiểm, góp phần giảm thiểu thiệt hại và hỗ trợ phát triển kinh tế khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý hoạt động của ra đa thời tiết Doppler, sử dụng sóng siêu cao tần phát vào không gian và thu nhận tín hiệu phản hồi từ các hạt mây, mưa trong khí quyển. Độ lớn tín hiệu phản hồi vô tuyến (PHVT) phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng của các hạt nước và băng, kích thước, mật độ phân bố và trạng thái pha của chúng. Công thức tính diện tích phản xạ hiệu dụng dựa trên giả thiết tán xạ Rayleigh và chỉ số khúc xạ phức của hạt vật chất, cho phép xác định hệ số tán xạ trong đơn vị thể tích.

Khung lý thuyết còn bao gồm các mô hình xác suất thống kê để xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mưa và dông dựa trên phân bố giá trị PHVT. Các khái niệm chính gồm:

  • PHVT (Phản hồi vô tuyến): Giá trị tín hiệu phản hồi thu được từ ra đa, biểu thị cường độ phản xạ của các hạt khí tượng.
  • CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator): Sản phẩm ra đa hiển thị PHVT ở độ cao cố định, giúp phân tích cấu trúc mây và mưa theo chiều cao.
  • CMAX: Giá trị PHVT cực đại trong cột khí quyển, dùng để xác định vùng mưa hoặc dông mạnh.
  • ETOPS: Độ cao đỉnh PHVT, phản ánh chiều cao phát triển của mây đối lưu liên quan đến dông.
  • Xác suất xuất hiện hiện tượng: Tỷ lệ phần trăm các trường hợp có mưa hoặc dông tương ứng với ngưỡng PHVT nhất định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu ra đa thời tiết Tam Kỳ (các sản phẩm PPI, CAPPI, CMAX, HMAX, ETOPS) và số liệu đo mưa tự động từ 31 trạm thuộc dự án MAHASRI, cùng số liệu dông từ các trạm khí tượng bề mặt khu vực Trung Trung Bộ. Số liệu được thu thập trong các tháng mùa mưa (tháng 10, 11, 12) của các năm 2007, 2010 và 2011.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Trích xuất và xử lý số liệu: Giải mã dữ liệu ra đa dạng dạng NetCDF, trích xuất giá trị PHVT trung bình trong bán kính 5 km quanh các trạm đo mưa để đồng bộ với số liệu mặt đất.
  • Kiểm nghiệm số liệu: So sánh thời gian và lượng mưa giữa số liệu đo mưa tự động MAHASRI và số liệu đo mưa mặt đất để đánh giá độ tin cậy, đạt độ đồng bộ khoảng 96%.
  • Phân nhóm dữ liệu: Phân chia các trạm đo mưa theo khoảng cách từ trạm ra đa Tam Kỳ thành 3 nhóm: ≤ 50 km, 50-100 km, > 100 km.
  • Tính toán xác suất: Sử dụng phương pháp thống kê để tính xác suất xuất hiện mưa và dông theo từng ngưỡng PHVT với bước nhảy 5 dBZ cho mưa và 10 dBZ cho dông, đồng thời phân tích theo độ cao đỉnh PHVT.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu trong giai đoạn 2007-2011, tập trung phân tích chi tiết các năm 2007 và 2010 trước và sau khi ra đa Tam Kỳ được nâng cấp.

Cỡ mẫu gồm 31 trạm đo mưa tự động và 5 trạm khí tượng bề mặt, lựa chọn phương pháp phân tích thống kê nhằm xây dựng các chỉ tiêu xác suất phù hợp với đặc điểm địa phương.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng PHVT trong bán kính ≤ 50 km:

    • Năm 2007, với ngưỡng PHVT từ 5-15 dBZ, xác suất có mưa khoảng 53%, từ 15-25 dBZ khoảng 73%, và từ 25-30 dBZ đạt 86%.
    • Năm 2010, sau nâng cấp ra đa, xác suất mưa tăng rõ rệt, với PHVT từ 25-30 dBZ xác suất đạt 93,5%, và PHVT ≥ 30 dBZ xác suất đạt 100%.

  2. Xác suất xuất hiện mưa trong khoảng cách 50 km < R ≤ 100 km:

    • Năm 2007, xác suất mưa không ổn định, chỉ tháng 11 thể hiện mối quan hệ tuyến tính rõ ràng.
    • Năm 2010, với PHVT từ 20-25 dBZ, xác suất mưa đạt trên 80%, cho phép cảnh báo khả năng mưa cao.

  3. Xác suất xuất hiện mưa ở khoảng cách > 100 km:

    • Năm 2007, xác suất mưa thấp và không ổn định.
    • Năm 2010, với PHVT từ 15-20 dBZ, xác suất mưa đạt khoảng 68,9%, và trên 25 dBZ có thể cảnh báo mưa.

  4. Xác suất xuất hiện dông:

    • Tại trạm Ba Tơ, khi PHVT trên CAPPI(3km) từ 10-20 dBZ và trên CMAX từ 30-40 dBZ, xác suất dông đạt khoảng 80%.
    • Khi PHVT trên CAPPI từ 20-30 dBZ và trên CMAX từ 40-50 dBZ, xác suất dông đạt 100%.
    • Độ cao đỉnh PHVT từ 10-15 km liên quan đến khả năng xuất hiện dông cao, trên 15 km xác suất dông đạt 100%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc nâng cấp ra đa Tam Kỳ đã cải thiện đáng kể chất lượng số liệu, giúp xác suất xuất hiện mưa và dông theo ngưỡng PHVT trở nên ổn định và tuyến tính hơn. Sự khác biệt về xác suất giữa các khoảng cách phản ánh ảnh hưởng của suy giảm tín hiệu ra đa theo khoảng cách và đặc điểm địa hình phức tạp của khu vực Trung Trung Bộ.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mối quan hệ giữa PHVT và xác suất xuất hiện mưa, dông phù hợp với các mô hình thống kê phổ biến, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của độ cao đỉnh PHVT trong phát hiện dông. Việc xây dựng chỉ tiêu xác suất theo từng ngưỡng PHVT giúp nâng cao độ chính xác cảnh báo, giảm thiểu cảnh báo sai và tăng hiệu quả dự báo cực ngắn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ xác suất theo ngưỡng PHVT và khoảng cách, bảng tổng hợp xác suất dông theo giá trị PHVT và độ cao đỉnh PHVT, giúp trực quan hóa mối quan hệ và hỗ trợ ứng dụng thực tiễn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo mưa và dông dựa trên ngưỡng PHVT địa phương: Áp dụng các chỉ tiêu xác suất đã xây dựng cho trạm ra đa Tam Kỳ, đặc biệt chú trọng ngưỡng PHVT từ 15-30 dBZ để cảnh báo mưa và dông với độ tin cậy cao. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn khu vực.

  2. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh chỉ tiêu định kỳ: Thực hiện đánh giá, hiệu chỉnh chỉ tiêu sau mỗi lần nâng cấp hoặc sửa chữa ra đa để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian: hàng năm; chủ thể: Viện Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu.

  3. Mở rộng mạng lưới trạm đo mưa tự động và đồng bộ số liệu: Tăng cường lắp đặt trạm đo mưa tự động trong vùng hoạt động của ra đa, nâng cao chất lượng số liệu đồng bộ để cải thiện độ tin cậy xây dựng chỉ tiêu. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, các địa phương.

  4. Phát triển phần mềm phân tích và cảnh báo tự động: Xây dựng phần mềm khai thác dữ liệu ra đa và số liệu mặt đất, tự động tính toán xác suất xuất hiện mưa, dông theo ngưỡng PHVT, hỗ trợ dự báo viên trong công tác cảnh báo. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: Trung tâm Công nghệ Thông tin Khí tượng Thủy văn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà khí tượng thủy văn và dự báo viên: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ định lượng để nâng cao độ chính xác dự báo mưa và dông, hỗ trợ công tác cảnh báo sớm.

  2. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống lụt bão: Tham khảo để xây dựng các kịch bản ứng phó dựa trên xác suất xuất hiện hiện tượng thời tiết nguy hiểm, giảm thiểu thiệt hại.

  3. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ ra đa: Tài liệu chi tiết về phương pháp trích xuất, xử lý và phân tích số liệu ra đa Doppler, phục vụ phát triển phần mềm và công nghệ mới.

  4. Các địa phương và đơn vị vận hành trạm ra đa: Hướng dẫn xây dựng chỉ tiêu địa phương phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình, nâng cao hiệu quả khai thác dữ liệu ra đa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông riêng cho từng trạm ra đa?
    Mỗi vùng có điều kiện khí hậu, địa hình và đặc điểm giáng thủy khác nhau, ảnh hưởng đến tín hiệu phản hồi vô tuyến. Chỉ tiêu địa phương giúp tăng độ chính xác trong nhận dạng hiện tượng và cảnh báo.

  2. Ngưỡng PHVT nào được sử dụng để cảnh báo mưa và dông?
    Nghiên cứu cho thấy ngưỡng PHVT từ 15-30 dBZ phù hợp để cảnh báo mưa, trong khi dông thường xuất hiện khi PHVT trên CAPPI từ 10-30 dBZ và trên CMAX từ 30-50 dBZ, kèm theo độ cao đỉnh PHVT từ 10 km trở lên.

  3. Số liệu ra đa có bị ảnh hưởng bởi khoảng cách và địa hình không?
    Có, tín hiệu PHVT suy giảm theo khoảng cách và bị ảnh hưởng bởi địa hình phức tạp như núi cao, gây khó khăn trong việc xác định chính xác hiện tượng ở vùng xa trạm ra đa.

  4. Làm thế nào để đồng bộ số liệu ra đa và số liệu đo mưa mặt đất?
    Sử dụng bán kính lấy mẫu 5 km quanh trạm đo mưa, tính giá trị PHVT trung bình trong vùng này, đồng thời tính tổng lượng mưa mỗi 30 phút để phù hợp với chu kỳ quan trắc của ra đa.

  5. Có thể áp dụng chỉ tiêu này cho các trạm ra đa khác không?
    Chỉ tiêu cần được xây dựng và hiệu chỉnh riêng cho từng trạm do khác biệt về thiết bị, địa hình và khí hậu. Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi.

Kết luận

  • Đã trích xuất và xử lý thành công số liệu PHVT ra đa Tam Kỳ và số liệu mưa tự động MAHASRI, xây dựng bộ dữ liệu đồng bộ phục vụ nghiên cứu.
  • Xây dựng được các chỉ tiêu xác suất xuất hiện mưa và dông theo ngưỡng PHVT và khoảng cách, với độ tin cậy cao hơn sau khi ra đa được nâng cấp.
  • Phát hiện mối quan hệ tuyến tính rõ ràng giữa giá trị PHVT và xác suất xuất hiện mưa trong phạm vi bán kính ≤ 50 km, đồng thời xác định các ngưỡng cảnh báo dông dựa trên PHVT và độ cao đỉnh mây.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng chỉ tiêu vào công tác dự báo, cảnh báo và phát triển phần mềm hỗ trợ, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai khu vực Trung Trung Bộ.
  • Khuyến nghị kiểm nghiệm, hiệu chỉnh chỉ tiêu định kỳ và mở rộng mạng lưới đo mưa tự động để nâng cao độ chính xác dự báo trong tương lai.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ ra đa thời tiết hiện đại trong dự báo cực ngắn, cảnh báo sớm hiện tượng mưa và dông, góp phần bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản của người dân. Các đơn vị khí tượng, phòng chống thiên tai và nghiên cứu khí hậu nên tiếp tục triển khai và phát triển các chỉ tiêu này trong thực tiễn.