ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

HOÀNG MINH TOÁN

XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG
MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE
CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2009


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

HOÀNG MINH TOÁN

XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG
MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE
CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ
Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
Mã số: 60.44.87
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HƯỚNG ĐIỀN

Hà Nội – 2009


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................... 4
MỞ ĐẦU....................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT
TAM KỲ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG...................................... 8
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA........................................................ 8
1.1.1. Lịch sử của rađa ................................................................................ 8
1.1.2. Nguyên tắc hoạt động........................................................................ 8
1.1.3. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không ............ 10
1.1.4. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân
giải của khối xung..................................................................................... 12
1.1.5.Các phương trình rađa Probert-Jones và phương trình rađa rút gọn đối
với mục tiêu khí tượng .............................................................................. 15
1.2. RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ............................................................. 18
1.3.HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG ..................................................... 20
CHƯƠNG 2: ƯỚC LƯỢNG MƯA TỪ ĐỘ PHẢN HỒI VÔ TUYẾN
CỦA RAĐA KHÍ TƯỢNG ........................................................................ 25
2.1. KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MƯA.................................................... 25
2.1.1.Mưa và một vài loại mưa thường gặp ............................................... 25
2.1.2.Một số đặc trưng cơ bản................................................................... 26
2.1.3.Sự phân bố hạt mưa theo kích thước hạt........................................... 27
2.1.4.Phân cấp cường độ mưa ................................................................... 29
2.1.5.Sử dụng rađa để phát hiện mưa ........................................................ 30
2.1.6.Sử dụng rađa để ước lượng mưa....................................................... 31
2.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SAI SỐ KHI ƯỚC LƯỢNG MƯA
BẰNG RAĐA KHÍ TƯỢNG ..................................................................... 34
2.2.1. Sai số do hệ thống thiết bị rađa........................................................ 35
2.2.2.Sai số do địa hình ............................................................................. 35
2.2.3.Các sai số do điều kiện truyền sóng dị thường trong khí quyển ........ 36

5


MỞ ĐẦU
Thời tiết ảnh hưởng rất lớn đến đời sống kinh tế–xã hội của loài người.
Việc dự báo các hiện tượng thời tiết ngày càng trở nên cần thiết và trở thành
mối quan tâm nhiều quốc gia trên thế giới. Dự báo thời tiết thông qua dự báo
các yếu tố: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, gió, mưa... Như chúng ta đã biết, mưa
lớn là nguyên nhân chính gây ra lũ ở vùng Trung Trung bộ và đã để lại những
hậu quả rất nghiêm trọng cho vùng này trong nhiều năm qua nhất là trong thời
gian gần đây, vì thế dự báo định lượng mưa được quan tâm nhiều nhất. Để đo
mưa định lượng (xác định cường độ mưa, tổng lượng mưa giờ, ngày…) được
tiến hành với nhiều phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, một trong những
phương pháp đó là sử dụng ra đa khí tượng. Ra đa có nhiều ưu điểm mạnh
trong đo mưa định lượng so với mạng lưới trạm đo mưa trực tiếp tại mặt đất
như: đo trong phạm vi rộng, xác định được diện tích vùng mưa, đo mưa với
độ phân giải cao về không gian và thời gian. Ra đa có thể đo mưa tại các vùng
sâu, vùng xa, ngoài biển nơi xây dựng rất khó khăn hoặc không thể xây dựng
được những hệ thống trạm đo đạc yếu tố khí tượng bề mặt. Hơn thế nữa ra đa
còn có thể xác định được cấu trúc không gian ba chiều của trường mây và
mưa trong vùng hoạt động của ra đa.
Tuy nhiên, thực tế biến động của trường mưa rất phức tạp, nhất là tính
biến động ngẫu nhiên của chúng theo quy mô thời gian và không gian, thể
hiện qua cường độ, phạm vi. Bên cạch đó hệ thống các trạm đo mưa trên lãnh
thổ Việt Nam vẫn còn khá thưa thớt, một số vùng quan trọng mạng trạm đo
mưa không đủ dày, độ chính xác ước lượng mưa bằng ra đa phụ thuộc rất
nhiều vào các tham số như: độ rộng, mức độ bị che khuất của cánh sóng ăng
ten, Một điểm nữa là các công thức tính lượng mưa khu vực Trung trung Bộ
chưa có hoặc mới ở giai đoạn áp dụng thử nghiệm vài hệ số thực nghiệm của


dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến
điện. Có một điều thú vị là bản thân từ RADAR trong tiếng anh có thể đánh
vần ngược từ cuối lên đầu mà vẫn giữ nguyên các âm tiết như khi đọc xuôi,
như thể nó mang hàm ý rằng sóng của rađa phát đi vào không gian và lại quay
ngược trở lại rađa.
Máy phát của rađa tạo ra một sóng điện từ mạnh truyền vào khí quyển
thông qua anten. Trong quá trình truyền sóng trong khí quyển, sóng điện từ

8


gặp các mục tiêu, bị các mục tiêu tán xạ và hấp thụ. Mục tiêu tán xạ sóng điện
từ theo mọi hướng trong đó một phần năng lượng sẽ quay trở lại anten.

Hình 1.1. Anten rađa truyền

Hình 1.2. Xung phản hồi lại rađa

sóng vào khí quyển
Anten nhận tán xạ sóng điện từ trở lại, tập hợp chúng và khuyếch đại
chúng lên nhờ bộ phận khuyếch đại điện từ. Tuy vậy, tín hiệu trở về có mức
năng lượng nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu truyền đi. Mục tiêu càng tán xạ
mạnh thì công suất tín hiệu nhận về càng cao.
Sóng điện từ mà anten truyền ra có 3 thuộc tính cơ bản sau:
- Tần số lặp (pulse repetition frequency)
- Thời gian phát xung (transmission time)
- Độ rộng cánh sóng (beam width).
Tần số lặp là số lần xung phát trong một giây, nó tuỳ thuộc từng loại
rađa. Thời gian phát xung (còn gọi là độ rộng xung) là khoảng thời gian mà
rađa phát ra một xung. Khi một chùm tia di chuyển với tốc độ ánh sáng thì độ


Pt G
4r 2

(1.1)

Như vậy, nếu mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là m thì dòng
(thông lượng) năng lượng do mục tiêu tán xạ ra mọi hướng sẽ là:
Pm  I m  m 

Pt G
m
4r 2

(1.2)

Mật độ dòng năng lượng thu được tại anten rađa Ia là:
Ia 

Pm
PG
Pt G
1
 t 2 m

m
2
2
4r
4r

(1.6)

Hệ thức (1.6) là phương trình rađa cho một mục tiêu điểm trong chân
không (hoặc trong môi trường không gây ra sự suy yếu sóng của rađa).

11


1.1.4. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân
giải của khối xung
Độ lớn của năng lượng phản xạ được đánh giá bởi thông số m , gọi là
diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu. Diện tích phản xạ hiệu dụng của
mục tiêu khí tượng m phụ thuộc không những vào kích thước, trạng thái,
nhiệt độ và sự phân bố của các hạt mà còn vào tần số sóng (hoặc bước sóng).
Việc tính toán m bằng giải tích là phức tạp, vì như trên đã nói, bản thân mục
tiêu khí tượng rất phức tạp. Để đơn giản, người ta tính toán m của mục tiêu
khí tượng với các giả thiết sau:
- Coi như các hạt đều có hình cầu, bán kính a của hạt nhỏ hơn rất nhiều
so với bước sóng  (a  /32 = 0,03); khi đó diện tích phản xạ hiệu dụng của
một hạt thứ i nào đó được tính bằng hệ thức thu được từ lí thuyết tán xạ của
Rayleigh:
i 

64 5 6
a Ki
4 i

2

trong đó, K i 

64π 5
λ4

N

K
i 1

2
i

ai6

(1.8)

trong đó N là số hạt trong một đơn vị thể tích.  còn gọi là hệ số tán xạ,
có đơn vị là m-1.
- Tín hiệu phản xạ thu được tại đầu vào của máy thu rađa tại một thời
điểm là tín hiệu phản xạ từ tập hợp tất cả các hạt nằm trong một phần Vu của
thể tích khối xung, cùng về tới máy thu cùng vào thời điểm đó. Vu được gọi là
thể tích phân giải của khối xung.
Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m khi đó sẽ là:
N

 m  Vu .  Vu   i

(1.9)

i 1



r  h / 4 ),

mặt bên là mặt bên của búp sóng.

Thể tích của nón cụt này xấp xỉ bằng nửa thể tích của khối xung, theo định
nghĩa, chính là thể tích phân giải của khối xung và có thể tính được như sau:
Vu  R 2

h
2

(1.10)

trong đó R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R, độ rộng
cánh sóng  (tính bằng rađian) và khoảng cách từ rađa đến mục tiêu r có mối
liên hệ:
Rr


2

(1.11)

Do vậy:
2 2
 r  h r  h
Vu     
8
 2  2

. 4
λ
8

N

K
i 1

2
i

ai6 

8π 6 r 2θ 2 h N
2
K i ai6

4
λ
i 1

(1.14)

1.1.5.Các phương trình rađa Probert-Jones và phương trình rađa rút gọn
đối với mục tiêu khí tượng
Thay m từ hệ thức trên vào hệ thức (1.6), bỏ qua sự suy yếu dọc đường
truyền của sóng rađa, ta có phương trình rađa đối với mục tiêu khí tượng như
sau:
Pr 


Nếu tính đến sự suy yếu năng lượng dọc đường truyền trong khí quyển
thực và dọc đường truyền từ anten đến máy thu, ta phải nhân vế phải của
phương trình với một hệ số L (L
1
- độ hao tổn trong khí quyển
La

(1.20)

M rd 

1
- độ hao tổn qua các đường dẫn sóng bên trong rađa
Lrd

(1.21)

Khi một rađa được lắp đặt, chỉ có những tham số sau đây không phải là
cố định: độ phản hồi Z, độ hao tổn bởi môi trường Ma và khoảng cách r.
Những tham số còn lại đều không đổi và được tổng hợp để tạo ra hằng số Cr
(ở một chế độ hoạt động của rađa, Cr là không đổi). Phương trình rađa trên có
thể viết dưới dạng đơn giản (rút gọn):

16


Cr Z

Pr 

r2

La

2 r
  e dr
ln 10 0

r

r

 10

 2  0,4343  e dr
0

 10

 2  ,e dr
0

.

trong đó e là hệ số suy yếu sóng trong khí quyển, còn

(1.24)
 ,e  0,4343 e

là

độ

suy yếu (attenuation), thường biểu thị trong đơn vị dB/km (1 dB/km = 10-4 m1

Cr L a

hoặc

ở các radar hiện đại, độ truyền qua La hoặc độ hao tổn Ma được tính

toán và sử dụng cho từng khoảng cách ngay trong lúc radar đang hoạt động
(trong thời gian thực). Độ truyền qua La giảm đi nhiều khi tín hiệu phải truyền
qua mây hoặc nhất là vùng đang mưa. Để hiệu chỉnh sự suy yếu trong mây
hoặc mưa đối với Z, cần phải tính được La.
Cần nói thêm rằng các radar chưa số hoá không thể tính được La
(người ta chỉ coi La là một hàm của khoảng cách, chẳng hạn như coi nó tỉ lệ
nghịch với r chứ không lấy được tích phân (1.24)), thậm chí ngay cả những
radar số hoá thế hệ cũ với tốc độ tính toán không cao cũng không làm được
điều này. Đối với các radar số hoá hiện đại thì khác, chẳng hạn như radar
DWSR-2500C, người ta lấy

 ,e  AZ * b

tính ra dB/km, với A = 6,9.10-5 và b =

0,67 tại mọi điểm dọc đường truyền sóng (Z* là độ PHVT ở mỗi điểm trên
đường truyền sóng) và tính được tích phân La một cách nhanh chóng; Hiệu
chỉnh Z do suy yếu trong mây hoặc mưa (tính Z theo công thức (1.25), tức là
bằng cách khuếch đại Pr lên một số lần bằng

r2
Cr L a

sau khi tính được La) cần

mây (độ cao mây km). Sản phẩm này có ý nghĩa quan trọng trong hàng
không, bởi nó giúp phi công lựa chọn độ cao bay. Ngoài ra sản phẩm này còn
là một trong các yếu tố quan trọng để xác định chỉ tiêu nhận biết hiện tượng
thời tiết nguy hiểm (dông mạnh, tố, lốc, mưa đá .. vv).
c. Sản phẩm LRA(Z): Giá trị phản hồi trung bình của một lớp phản
hồi vô tuyến là sản phẩm độ PHVT trung bình giữa hai mặt cắt ngang song
song với mặt đất.

19


d. Sản phẩm CAPPI(Z). Là giá trị PHVT trên mặt phẳng ở độ cao nhất
định.
e. Độ cao của PHVT cực đại (HMAX). Là giá trị độ cao mà ở đó PHVT
đạt cực trị trên mỗi pixel bề mặt.
f. Tổng lượng nước trong một cột mây VIL: là giá trị ước lượng tiềm
lượng nước trong một đơn vị diện tích bề mặt mây (kg/m2). Giá trị VIL có ý
nghĩa quan trọng trong việc xác định giữa dông nguy hiểm và dông không
nguy hiểm
g. Sản phẩm hiển thị profile tốc độ và hướng gió ngang VAD (Velocity
Azimuth Display) là một trong những sản phẩm hữu hiệu nhất của ra đa
DWSR. VAD tương tự như giá trị đo gió tức thời của TKVT.
h. Sản phẩm lượng mưa tích lũy ACM (Accumulated Rainfall Mount)
là độ dầy của lượng nước mưa tích lũy trên một diện tích bề mặt trong một
khoảng thời gian nhất định: 1, 3, 24h hoặc khoảng thời gian mà người sử
dụng yêu cầu.
i. Sản phẩm mặt cắt tùy chọn XSEC(Z): Là sản phẩm hiển thị mặt cắt
đứng của độ PHVT dọc theo một tuyến bất kì mà người sử dụng lựa chọn.
Tuy có nhiều sản phẩm như vậy nhưng việc khai thác chưa thật sự hiệu
quả. Bởi các sản phẩm này chủ yếu hiển thị ngay tại máy quan trắc, còn nếu

Bao gồm: biểu đồ lượng mưa trong thời gian 1giờ hiện tại (bảng mầu
tím), biểu đồ lượng mưa theo ngày (bảng mầu xanh nước biển )và biểu đồ
lượng mưa theo tháng (bảng mầu xanh lá cây), các giá trị lượng mưa >0 mm
có mầu vàng. Hệ thống biểu đồ này đang trong giai đoạn phát triển sẽ có
nhiều thay đổi theo chiều hướng thuận tiện và hiệu quả hơn trong thời gian
tới.

Hình 1.6 Biểu đồ giá trị lượng mưa hiển thị trực tuyến trên website

22


Tại trạm đo bao gồm: Sensor đo mưa, Datalogger và modem ADSL
hoặc Modem GPRS
Các loại datalogger

b,

a,
Kadec

Bluebox

c, Hobo

d, RF-3

Hình 1.7. Các loại datalogger triển khai phục vụ nghiên cứu
a, Loại Kadec: Là loại datalogger sản xuất tại Nhật bản, có thể kết nối
trực tiếp với modem diaup qua cổng RS232 thông qua điện thoại để truyền số

24


CHƯƠNG 2: ƯỚC LƯỢNG MƯA TỪ ĐỘ PHẢN HỒI
VÔ TUYẾN CỦA RAĐA KHÍ TƯỢNG
2.1.KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MƯA
2.1.1.Mưa và một vài loại mưa thường gặp
Các giọt nước và tinh thể băng rơi từ trong khí quyển xuống mặt đất
được gọi là giáng thuỷ. Thường người ta thường gọi giáng thuỷ lỏng (có khi
là cả giáng thuỷ rắn) là mưa.
Đới mưa được đặc trưng bởi các tham số: kích thước, tốc độ di chuyển,
thời gian tồn tại, sự phát triển pha, cấu trúc, phân bố.
a. Mưa phùn: là mưa tương đối đồng nhất, số lượng các hạt nhỏ (bán
kính nhỏ hơn 1mm) Mưa phùn rơi từ mây tầng (St) và mây tầng tích (Sc)
hoặc có thể do sương mù tan ra. Cường độ < 0.25 mm/h, tốc độ rơi của hạt từ
0.3 – 2 m/s. Mưa phùn có độ trải rộng hàng trăm thậm chí hàng nghìn km, có
thể hơn. Mưa phùn thường xảy ra vào các mùa chuyển tiếp trong năm.
b. Mưa dầm: mưa rơi từ mây tầng tích front, nó được tạo ra do sự đi lên
có trật tự của không khí. Bán kính của hạt mưa dao động từ 0.5 đến 1.5 mm.
Tốc độ rơi từ 2 – 6 m/s. Độ trải rộng của đới mưa này khoảng vài chục đến
vài trăm km.
c. Mưa rào: mưa rơi từ mây vũ tích front và trong khối không khí nội
tại. Bán kính hạt mưa thường vào khoảng 2 – 2.5 mm, còn tốc độ rơi thì từ 6 –
9m/s. Cường độ mưa rào thường rất mạnh.
d. Mưa đá: hình thành trong các mây vũ tích, trong các khối không khí
và front. Mưa đá phụ thuộc vào mặt đệm (thường thì ở vùng núi nhiều hơn
đồng bằng). Mưa đá thường xảy ra vào thời gian sau buổi trưa khi mà đối lưu

25