Chương ỨNG DỤNG VIỄN THÁM DỰ BÁO LŨ 8.1 Giới thiệu chung cấu trúc mơ hình dự báo lũ viễn thám - Giới thiệu chung hệ thống: Để cho hệ thống dự báo cảnh báo lũ có hiệu dụng cụ đo mưa truyền thống, hệ thống đo dòng chảy, kỹ thuật viễn thám, rađa, hệ thống điện thoại phương tiện thông tin, dự báo khí tượng Sinop mơ hình dự báo kiện tương lai cần phải xem xét đầy đủ - Mơ hình hệ thống dự báo lũ viễn thám:Theo Becker, Brawn Kaden (1989) đề cập đến mơ hình cần phận sau: + Một hệ thống thu nhận số liệu truyền số liệu + Hệ thống quản lý số liệu + Trung tâm máy tính thơng tin Tồn số liệu từ trạm đo khu vực thu thập lưu trữ để dùng cho tương lai trung tâm thơng tin hình thành tài liệu hệ thống cảnh báo lũ Đối tượng chung trang thiết bị máy tính điện tử, tự động hố theo Becker hợp lý hoá cách lặp lại đặn tính tốn thao tác hệ thống thời gian thực đặc biệt việc thu thập số liệu, phân tích tài liệu gốc, lưu trữ chương trình hố dự báo kiểm tra số liệu chuẩn bị số liệu phổ biến thông tin, báo cảnh báo lũ cho quan nghiên cứu có liên quan Cấu trúc chung mơ hình hệ thống dự báo lũ viễn thám hình 8.1 hệ thống thu thập số liệu thuỷ văn vệ tinh viễn thám hình 8.2 8.2 Hệ thống máy đo mưa truyền thống quan trắc dịng chảy Phân tích khơng hợp lý hệ thống quan trắc truyền thống Trong cung cấp tài liệu có ích hệ thống đo mưa dịng chảy sơng ngịi thường khơng thoả mãn cách trực tiếp cho dự báo lũ, 178 nguyên nhân chủ yếu sau đây: Một nguyên nhân liên quan đến thời gian lưu trữ số liệu trạm đo Hầu tài liệu đo mưa ghi hàng ngày tài liệu đo dịng chảy sơng lấy với khoảng thời gian cách hàng tháng, biểu đồ mưa dịng chảy thay đổi Nguyên nhân khác dụng cụ đo mưa khơng có giá trị đo mưa thực sự, tiêu biểu chứa nhiều sai số, khơng phải mục đích thảo luận Sai số liên quan trực tiếp đến dụng cụ đo chuẩn mực Việc sử dụng rađa vệ tinh cung cấp phương pháp xen kẽ cho việc xác định lượng mưa, có khả làm giảm đến mức tối đa sai số hay sai số khác Để tăng cường hiệu dự báo lũ tài liệu cần xác nhiều cáng tốt Vai trị rađa vệ tinh dự báo lũ cần thiết xem xét mục 8.4 c Vấn đề khác liên quan đến hệ thống đo mưa giá trị đo mưa trạm đại diện cho điểm đo mưa mà không đại diện cho đặc điểm mưa theo không gian mà trận mưa xảy Theo nhà nghiên cứu Cluckie, Ede, Owens, Bailey, Collier (1987) mơ hình mưa phân phối theo không gian quan trọng mô hình phân bố q trình dịng chảy xaỷ lưu vực tương ứng với lượng mưa đầu vào trưên lưu vực Vì đặc tính thay đổi theo không gian quy mô phân bố theo khu vực mưa yếu tố quan trọng dự báo lũ d Đây phương pháp thường dùng để xác định lượng mưa bình quân lưu vực từ điểm đo mưa: phương pháp đường đẳng trị gần đúng, phương pháp bình quân số học, phương pháp đa giácThái Sơn phương pháp triết giảm theo không gian yếu tố (application of an areal reduction facter, ARF) Phương pháp Thái Sơn nhiều nhà thuỷ văn áp dụng rộng rãi dựa sở giải thích phân bố mưa khơng lưu vực nên giá trị đo mưa trạm đo đại diện cho diện tích xung quanh trạm đo mưa e Nhà thuỷ văn Stewart (1989) mô tả định mức yếu tố triết giảm khu vực (ARF) dùng Anh, hệ thống rađa thời tiết đề nghị yếu tố triết giảm khu vực ARF giá trị áp dụng cho mưa điểm 179 khoảng thời gian xác định thời kỳ lặp lại định cho lượng mưa khoảng thời gian thời kỳ lặp lại Đây số phương pháp có sẵn, có giá trị cho tính tốn giá trị ARFS Nhưng tiếp tục nghiên cứu thấy bị cản trở, cồng kềnh khơng có chất lượng tốt việc xử lý tài liệu mưa, đặc biệt cho thời đoạn ngắn Vì lý trên, viễn thám rađa cần đưa vào sử dụng Thu thập số liệu phương pháp viễn thám số liệu truyền thống Truyền số liệu Xử lý số liệu gốc đưa vào file máy tính File tài liệu lịch sử tài liệu gốc Thủ tục dự báo (cấu trúc mơ hình file) Phân tích điều kiện đất nước Ước lượng kết thống kê bảng số liệu Thủ thuật tác nghiệp bao gồm tính tốn hố máy tính cập nhật số liệu Ước lượng dự báo kiểm tra cập nhật phương án dự báo Phổ biến kết dự báo cảnh báo, kiểm tra phương án dự báo, giới thiệu báo cáo dự báo Hình 8.1 Cấu trúc chung thành phần hệ thống dự báo lũ viễn thám rađa 180 Hình 8.2 Hệ thống thu thập số liệu thuỷ văn vệ tinh, rađa dùng Mỹ Sử dụng viễm thám rađa ( use of remote sensing and rađa) Việc áp dụng máy tính dùng để trợ giúp cho tính tốn gần lượng mưa Nhưng phương pháp có hiệu để xác định phân bố mưa theo khu vực sử dụng viễn thám đặc biệt rađa Xác định lượng mưa rađa khơng xác độ xác gặp thực tế Tuy rađa giúp để khám phá phân bố vùng mưa rộng lớn trạm đo mưa mà trước không khám phá Tốt tài liệu tìm rađa dùng liên kết với tài liệu hệ thống đo mưa thường dùng có đọ xác xác định xác lượng mưa lưu vực Hệ thống quan trắc mưa truyền thống kết hợp vào hệ thống cảnh báo lũ quốc gia việc sử dụng tài liệu thu có hiệu truyền kỹ thuật tiên tiến Tức tài liệu xếp theo ca kíp quan trắc truyền điện thoại kỹ thuật viễn thám Collier (1989) phân tích tài liệu rađa tài liệu đo đạc hệ thống đo truyền thống kết hợp nhờ kinh nghiệm người, nhà thuỷ văn Vì vậy, khơng thể nói với hình thức hệ thống quan trắc truyền thống hay rađa quan trọng mà phải kết 181 hợp hai hình thức 8.3 Vai trị viễn thám hệ thống dự báo lũ Trong thuỷ văn giải pháp thu thập tài liệu khơng có đủ tài liệu để đưa kết luận định xác mà phải kết hợp với định, biện pháp khác Theo Schultz (1988) đề cách: - Thu thập nhiều tài liệu tin cậy tài liệu đo phương pháp truyền thống - Áp dụng kỹ thuật toán tinh xảo - Sử dụng kỹ thuật thu thập tài liệu viễn thám Giải pháp thứ ba có giá trị nhất, đặc biệt có khả thích ứng cao với vùng xa xôi hẻo lánh vùng núi khó tới Những nguyên lý chung viễn thám HERT Tổng quan 102 1019 107 Tia γ 1018 106 1017 Tia X 10-11 10-10 10-9 101 102 1nm 1m 10 1016 Tia gần thấy 10-8 10-7 1015 Tia thấy 10-6 1014 1013 1012 1011 Tia hồng ngoại Sóng nhỏ vơ tuyến 10-5 10-3 1010 10-4 1μm 1mm 109 108 Sóng dài VHF HF Rađio 10-2 10-1 Sóng dài Truyền qua khơng khí Tỷ0 lệ % truyề n Tổng tia GAM A Tần số (Số lần giây) Ảo ảnh X Đường học phổ ả h độ Ảnh đơn đa tia phim khác Biểu đồ đo phổ nhiệt Sóng nhỏ rađio bị Cảm ứng điện từ Nguyên lý kỹ thuật ủ iễ Hình 8.3 Phổ điện từ Nguyên lý kỹ thuật dùng viễn thám RS cho vùng phổ tương ứng Trên hình 8.3 mối quan hệ giữ đặc trưng khí tượng lượng 182 mây, lượng mưa phản ảnh qua bước sóng rađa thu phát Qua đọ dài bước sóng xác định lượng mây, lượng mưa Trong phần nêu tóm tắt Engman Gurney số nguyên tắc viễn thám Viễn thám gồm dụng cụ đo quang phổ điện từ (Xem hình 8.2) Quang phổ điện từ dùng để biểu thị cảnh quan suy luận đặc điểm cảnh quan Ảnh dùng sóng dài nhìn thấy mở rộng ảnh tồn phổ Sóng dài phụ thuộc vào vật mô tả khảo sát Ví dụ: phản xạ nước vùng gần tia hồng ngoại phổ thấp làm cho sóng dài có tác dụng tốt để đo nước mặt Các thành phần hệ thống rađio viễn thám Viễn thám RS dùng ảnh hưởng qua lại rađio từ vùng khác phổ trái đất Ở có thành phần rađio dựa hệ thống viễn thám Nguồn rađio Đường truyền tin Tín hiệu đối tượng đo đạc Bộ phận cảm ứng sensor dùng Năng lượng phản xạ từ nguồn rađio giống trái đất, mặt trời rađa đo áp dụng nhiệt hồng ngoại sóng nhỏ viễn thám Đường truyền thơng tin khơng khí chứa đựng nhiều vật chất khí khác có ảnh hưởng đến sóng dài phổ sử dụng Những sóng dài có ảnh hưởng nhỏ đến rađio Tín hiệu đối tượng dự báo đo đạc dự báo lũ lượng mưa Sự hấp thụ nước lượng sóng dài suốt dễ thấy lượng nước sóng dài Một định quan trọng người sử dụng cần làm phép lựa chọn phận cảm ứng sensor cho ứng dụng đặc biệt Nbững sensor viễn thám Sensor viễn thám bao gồm : Phản xạ gama Ảnh khu vực 183 Những phận phân giải đa phổ Sensor nhiệt Những sensor sóng nhỏ Tia lade Phản xạ gama Tia gama mặt đất bị tác động đất tính chất đất, nước lớp tuyết (Engman Gurney, 1991) Những phận đa phổ, cần phải đo đồng thời phản xạ tia phổ đối tượng đo nhiều camera Sự phân loại đa phổ dùng sau để xác định đơí tượng đo đạc khác dựa sở phản xạ khác chúng Cảm ứng nhiệt đo lượng nhiệt phát bề mặt đất độ ẩm đất Loại sensor dùng chương dự báo lũ Viễn thám giải phổ đo đặc tính cách biệt thay đổi đặc tính phản chiếu bề mặt đất Những đặc tính cách biệt có chức phản ánh sức chứa ẩm đám mây Những sóng nhỏ sensor đâm xuyên qua đám mây mơ lại độ ẩm mây liên quan đến dự báo thời tiết dự báo lũ Những tia lade vướng phải phân chia tín hiệu radio tia sáng nhìn thấy gần tia hồng ngoại đo lượng phản xạ với ống kính điện tử đa ảnh xác định khoảng cách phạn cảm ứng sensor bề mặt trái đất Cái có khả chụp không quan trọng dự báo lũ Nơi thu thập số liệu (Data collection platform CDP) Những số liệu sensor tính tốn đưa vào nơi thu thập số liệu (flatform) bao gồm tàu vũ trụ, tàu biển, nơi thu mặt đất, bóng thám khơng, ô tô di động, tên lửa vệ tinh Ông Herschy (1982) xác định dạng nơi thu thập số liệu: DCP tài liệu tự động truyền DCP khoảng thời gian định DCP cung cấp báo động nguy cấp đến DCP thẩm vấn nơi DCP truyền tài liệu lần trung tâm kiểm tra 184 nhắc cho vệ tinh thám khơng Theo Herschy ba loại DCP có mục đích riêng cung cấp mực nước, lượng mưa, chất lượng nước Phương pháp gần xác định lượng mưa viễn thám Dùng viễn thám để xác định gần lượng mưa sử dụng Theo Barret Martin phụ thuộc vào: Kỹ thuật tia nhìn thấy tia hồng ngoại Sóng ngắn rađio (sóng vơ tuyến) Vệ tinh mặt đất vệ tinh vũ trụ Những kỹ thuật sóng nhìn thấy quang phổ sử dụng băng rộng trước mưa rơi Tài liệu chỉnh lý phương pháp gần đúng: Xác định gần lượng mây, gần q trình hình thành tính tồn phát triển đặc trưng mây Lượng mây nhìn số đám mây phạm vi to lớn đám mây vùng liên quan đến lượng mưa Đặc điểm mây bao gồm: độ cao đỉnh mây, nhiệt độ thấp mây Các đặc diểm phản ánh khả gây mưa mây Quá trình hình thành quan sát tốc độ thay đổi đối lưu mây Những phương pháp sở kinh nghiệm cần thiết ông Barret Martin bàn luận chi tiết từ 1981 Kỹ thuật sóng ngắn vơ tuyến quan trọng đo mưa vài tần số sóng ngắn mây suốt lượng mưa đo đạc thuyết phản xạ lượng nhiệt hạt mưa rơi Lượng mưa đo vệ tinh dựa sở phân tán tia xạ gây ảnh hưởng qua lại mưa tín hiệu vệ tinh (rađa) Nhờ ảnh hưởng qua lại mà rađa dự đoán lượng mưa tầng thấp Theo Anderson kỹ thuật dùng nay, kỹ thuật rađa ưu việt 8.4 Sử dụng vệ tinh rađa để dự báo lũ Nguyên lý chung Rađa từ ghép cấu tạo chữ đầu từ kỹ thuật để mô tả kỹ thuật dụng cụ đo Rađa “Rađa Detection an ranging” 185 Nghĩa chữ tìm sóng radio truyền xa vật, đối tượng khơng khí (Wejtiw, 1987) Ra đa phát cách liên tiếp có điều kiện pul sóng vơ tuyến điện từ với lượng biết tần số cho chùm tia hẹp tập trung vào - chùm ăngten Giữa pul này, ăngten nhận lượng dội lại từ nhiều vật khác mà theo Collier 1989 “vật thuỷ văn khí tượng” Phương trình (8.1) dùng để xác định lượng Pr = c K r (8.1) z Năng lượng tỷ lệ trực tiếp đến phản xạ rađa (z) có liên quan đến tốc độ mưa Ở Pr lượng trung bình phản xạ trở lại từ mưa R khoảng cách C số rađa K yếu tố làm cản trở sóng rađa làm cho mảnh Z= n ∑D i =1 i Ở Di đường kính hạt mưa Z= A RB (8.2) Ở Z phản xạ rađa A, B số xác định đường kinh nghiệm R tốc độ mưa, hay cường độ mưa 8.5 Nguyên lý đo lượng mưa đa Các giọt nước mưa khí có đường kính lớn, phản xạ sóng rađa mạnh Chiếu chùm sóng rađa qua đám mây mưa, người ta nhận thấy rằng: chùm sóng phản xạ từ giọt mưa tỷ lệ với tổng luỹ thừa bậc đường kính giọt mưa có trọng đơn vị thể tích khí bị chiếu sáng chùm tia rađa ∞ Z = ∫ N ( D ) D dD = ∑ N Di 6 i (8.4) Trong Z số phản xạ sóng rađa 186 N(D) số giọt nước có đường kính từ D tới D+ dD đơn vị thể tích khí Ni số giọt nước có đường kính Di đơn vị thể tích khí Cường độ mưa R tỷ lệ với đường kính hạt mưa mật độ hạt mưa theo quan hệ sau: R= π ∞ N 6∫ (D) D Vt ( D ) dD (8.5) Trong đó: Vt(D) tốc độ cuối giọt mưa tính theo cơng thức sau: Vt ( D ) = 1400.D (8.6) Thay (8.6) vào (8.5) so sánh với (8.4) ta có Z= a.Rb (8.7) Trong a, b số kinh nghiệm Cơng thức d biểu thị quan hệ số phóng xạ rađa Z cường độ mưa R Nếu biết trước số kinh nghiệm a, b đo số phản xạ sóng rađa Z, tính cường độ mưa R từ công thức d Trong thực tế có nhiều ảnh hưởng tới chất lượng sóng phản xạ rađa Z nên thơng số a,b thay đổi theo thời gian Thông thường người ta chấp nhận quan hệ trung bình giưã số phản xạ sóng rađa Z và cường độ mưa R Trong khoảng thời gian tính trung bình, lựa chon cặp thông số a, b cho phù hợp Như trạm đo mua mặt đất cần để hiệu chỉnh kết tính tốn lượng mưa đo rađa Người ta dùng nhiều rađa có bước sóng khác quan sát đám mây mưa, nhận thấy cường độ phản xạ sóng Rađar phụ thuộc chiều dài bước sóng, bước sóng thích hợp cho Rađa đo mưa 10 cm Độ rộng búp sóng máy phát rađa ảnh hưởng tới độ xác khả đo xa Rađa Búp sóng rộng 30 có dây cung dài 5,2 km khoảng cách 100 km Búp sóng rộng 20 có dây cung dài 3,5 km khoảng cách 100 km Búp sóng hẹp có khả tập trung lượng máy phát, tăng khả đo xa Rađa, việc thu hẹp búp sóng lại gặp khó khăn kích thước ăng ten q lớn phụ thuộc chiều dài bước 187 sóng Không sâu vào kỹ thuật rađa phương pháp đo số phản xạ sóng Rađa Z, điều tóm tắt giúp ta hình dung ngun lý sai số gặp đo mưa Rađa Các Rađa thời tiết đại phân biệt sóng phản xạ từ gói khơng khí, “gói khơng khí” rộng 1km Sự thay đổi tia phản xạ từ gói khơng khí tới gói khơng khí khác kề bên diễn tỏng khoảng thời gian rát ngắn cỡ 1/1000 giây Trên hình Rađa thời tiết lên vệt sáng xa hay gần tuỳ theo vị trí đám mây mưa Mưa lớn sóng phản xạ mạnh Trên hình Rađa lên đường đồng mức cường độ tín hiệu phản hồi người ta chia độ ứng với cường độ mưa 1,10,25, 50, 125 mm/h Những mức cho phép đánh giá nhanh chóng cường độ mưa vùng Rađa kiểm sốt Để xác hơn, số liệu ghi vào máy vi tính in đồ đường đồng mức cường độ mưa, in tổng lượng mưa đơn vị diện tích khoảng thời gian chọn Cùng với việc đo mưa Rađa khí tượng, người ta cịn đo độ ẩm bề mặt lưu vực vệ tinh để tính lượng ẩm lưu vực trước có lũ mưa rào gây Nguyên lý đo độ ẩm mặt đất trình bày giáo trình “Viễn thám” Collier (1989) cho giá trị điển hình A B phương trình (8.2) bảng (8.1) Bảng 8.1 Giá trị điển hình a b phương trình Phương trình Đọng mưa Z = 140 R1.5 Mưa phùn - drizzle Z = 250 R1.5 Mưa diện rộng - wide spread rain Z = 500 R1.5 Mưa bão- thunder storm 8.5.1 Những sai số xuất dùng rađa, đặc điểm vị trí đặt rađa Những sai số xuất dùng rađa gây đặc tính rađa, vị trí đặt rađa đặc điểm tự nhiên mưa Trong phần tóm tắt nghiên cứu Colier (1989), vấn đề quan trọng cho tài liệu thu thập rađa đạt độ xác mong muốn Vì phải hiểu có bao 188 nhiêu loại sai số tiềm tàng mà gây xác định lượng mưa rađa Những sai số gây nguyên nhân: Sai số vị trí đặt rađa khơng bao gồm yếu tố sau: + Mặt nằm ngang tia rađa quét bị vướng + Băng quét tối đa rađa yêu cầu + Vùng ảnh hưởng có hiệu rađa địa phương + Sự hiệu lực nguồn phát rađa + Sự trở ngại ngăn cản có rađa vật thể khác vùng + Vị trí đặt khơng thuận lợi + Tính trạng bị chặn chùm tia rađa chướng ngại vật mặt đất gây địa hình hiểu vùng tiếng ồn mặt đất Cái gây sai số cho đo mưa vùng núi (Label 1990) Những mô hình nâng lên độ cao áp dụng để phát vùng Những vùng tiếng ồn mặt đất đưa vào tạp vật lại tiếng vang dư bền vững (PE - permanent echoes) hình 8.4 Chọn khơng sóng dài rađa với độ dài sóng lớn 100 mm gây nên sai số ăng ten tạo nên Sóng rađa bị yếu so với sóng ngắn.Ăng ten bị mưa lắng đọng gây rỉ vật chống lại ăng ten.Thiếu kiểm định đường kính rađa PE PE Khơng có vật chắn Vật chắn cục Vật chắn tồn phần Hình 8.4 Những sai số gây vùng tiếng ồn 189 8.5.2 Những sai số xuất từ sử dụng rađa Bản chất tự nhiên mưa gây sai số bao gồm: Mối quan hệ phản xạ rađa Z tốc độ mưa rơi R phương trình (8.2) phụ thuộc vào phân bố kích cỡ đường kính hạt mưa rơi, tuyết rơi hay mưa đá Dao động tiếng vang rađa hậu ảnh hưởng từ thay đổi sóng dài từ pul tới pul khác, tức gây nên phản xạ thẳng đứng khác mưa Cái gây nên hiệu lượng mưa nơi cao khơng lượng mưa nơi thấp có khơng khí Điều có nguyên nhân từ gió, bốc hơi, mưa chuyển động chùm tia rađa Cái làm tăng phản xạ băng trắng c- Năng lượng rađa thu từ lượng mưa trung bình hố Những biến động lớn lượng mưa thời đoạn ngắn làm giảm độ xác yếu tố trung bình so với thực tế d- Độ đục mây làm suy giảm khả quan trắc trực tiếp lượng mưa thông qua dụng cụ cảm biến (sensors) dải tia hồng ngoại, tia nhìn thấy tia gần hồng ngoại Những sai số xảy ảnh hưởng yếu tố khí tượng tổng kết hình 8.5 đây: Chiề u cao (km) 6 3 Khô Ẩm 200 km Rađar Hình 8.5: Những sai số gây yếu Rađar tượng.(Browing 1978) tố khí (1) Các chùm tia rađa vượt tầng đáy phía 190 (2)Lớp bốc tầng thấp nằm chùm tia rađa (3)Sự nâng cao địa hình (4)Dải tia nhìn thấy (5)Sự đánh giá thấp cường độ mưa phùn thiếu đánh giá triết giảm mưa độ ẩm Sự đổi hướng khúc xạ chùm tia rađa có mặt triết giảm độ ẩm khơng khí lớn 8.5.3- Sử dụng rađa để theo dõi đường bão Rađa sử dụng với mục đích nhằm đánh giá lượng mưa Một ứng dụng khác rađa dùng để theo dõi đường bão Bộ Xây dựng Nhật Bản sử dụng hệ thống rađa 16 trạm đo mưa Số liệu thu sau năm phút giá trị trung bình thời gian phút Sử dụng số liệu này, phương pháp theo dõi bão phát triển nhằm mục đích xác định hướng di chuyển vùng có lượng mưa vượt giá trị cho phép, định nghĩa vùng mà có phản xạ sóng rađa vượt giá trị giới hạn Kỹ thuật dựa việc chồng ghép ảnh quan trắc cách phút Hai ảnh thiết phải thuộc bão Có số trường hợp xảy sai lệch phương pháp ví dụ chia lưới toạ độ to, đồng thời tốc độ di chuyển hai bão liên tiếp lớn (lớn 25,4 km/giờ) làm cho chồng ghép ảnh hiểu bão 8.5.4- Mức độ sai số dùng số liệu rađa Einfalt, Denoeux Jacquet (1990) ước tính mức độ sai số quan trắc dự báo rađa vào khoảng 30% Một rađa có định cỡ thích hợp cho ta số đốn đạt độ xác vòng 25% so với thực tế Nhưng theo Bellon Austin (1984) định cỡ lưới toạ độ khơng cải thiện độ xác ta mong đợi Sai số giảm yếu tố trung bình mở rộng theo khơng gian thời gian Các trạm đo mưa thơng thường có sai số 30%, đo đạc rađa dẫn tới sai số lên tới 55% (theo Wojtiw,1987) Từ trước đến công bố sai số dự báo mưa rađa 191 cịn ít, chưa thể khẳng định mức độ xác chấp nhận cho dự báo lũ hay khơng Trong nỗ lực để tìm mức độ xác dự báo ngắn hạn, trường yếu tố thời tiết khắp vùng Montreal Canada thu từ rađa tổng hợp xử lý so sánh với kết thu từ trạm đo mưa từ xa (telemetering raingaugses) Từ nhận thấy dự báo rađa thường mắc phải sai số vốn có 25%, dự báo 0,5 sai số khoảng 50% dự báo sai số 60% (Bellon austin,1984) 8.5.5- Sự cần thiết việc sử dụng rađa kết hợp với số liệu quan trắc trạm đo Trong thực tế gặp phải trường hợp phải đưa số liệu đầu vào số liệu từ rađa vào mơ hình mưa dịng chảy để dự báo lũ số liệu thu từ nguồn khác không đáng tin cậy thiếu tài liệu quan trắc Rất nhiều tác Browing (1986) Moor(1989) nhận thấy cần thiết sử dụng kết hợp yếu tố thu từ rađa từ trạm đo thơng thuờng, làm tăng mức độ xác dự báo mưa phục vụ việc dự báo lũ Middebrand, Towery Snell (1979) gơị ý với mật độ trạm đo lớn 1/250 km2 nên dùng số liệu quan trắc thu từ trạm đo thơng thường, cịn mật độ trạm đo nhỏ số liệu thu từ rađa làm tăng độ xác cho số liệu mưa Barge, Humphries, Mah Kuhnke (1979) mơ tả lợi ích việc sử dụng rađa thời tiết dự báo thủy văn vùng Albeta Đối với bão, số liệu rađa gợi ý số liệu đo đạc điểm đo mưa không cần thiết Trong suốt thời gian bão ngày với mức độ biến động lớn 15% rađa hệ thống trạm đồng thời quan trắc Số liệu từ rađa cho thấy lượng mưa rơi xuống trạm nhiều có lượng mưa thực tế rơi xuống lưu vực Hơn nữa, Barg (1979) kết luận khu vực quan trắc rộng lớn mưa diện rộng, rađa hữu dụng nhà thuỷ văn Thêm nữa, rađa thời tiết đưa đồ mưa diện sử dụng kết hợp với số liệu quan trắc mưa điểm nâng cao độ xác dự báo 192 Barg, Humphuries Olson (1977) với lượng mưa có mức độ biến đổi lớn theo không gian thời gian hệ thống rađa kết hợp với hai trạm đo mưa đưa kết xác sử dụng hệ thống trạm đo với mật độ 50 trạm/1000km2 8.6- Hệ thống truyền phát tín hiệu từ xa dùng cho dự báo dịng chảy 8.6.1- Giới thiệu Trong 10 năm gần 1984 - 1994, bước tiến công nghệ lĩnh vực thủy văn thu thập số liệu từ hệ thống thu phát tín hiệu vệ tinh (Herschin, 1989) Theo phương pháp cổ điển số liệu trạm đọc trực tiếp quan trắc viên thời điểm định trước hàng ngày trường hợp đột biến Cùng với phát triển nhanh chóng dụng cụ ghi phát số liệu, công việc thu thập số liệu từ trạm cần thực hàng tuần hàng tháng truớc xử lí phải nhập vào máy vi tính Như với thời gian thu thập dài nên dùng để dự báo truyền lũ thực tế Hệ thống ghi phát tín hiệu từ xa giải vấn đề Hệ thống thu phát tín hiệu từ xa yêu cấu thiết bị mạng đường dây điện thoại, sóng radio (sóng vơ tuyến điện), hệ thống thu phát Meteor Burst (là hệ thống thu phát dựa vào tượng cháy băng, nói rõ mục tiếp theo) 8.6.2- Hệ thống đường dây điện thọai Đường dây điện thoại sống radio phương tiện sử dụng để thu phát tín hiệu từ xa Nguyên nhân mạng lưới có sẵn có tính tương thích cao việc truyền dẫn số liệu Các mạng lưới sẵn có theo kịp phát triển hệ thống khác vệ tinh chưa phát triển nhanh Châu Âu Những ưu điểm đường dây điện thoại so với phương thức truyền phát khác Xác suất bị nhiễu ảnh hưởng khí nhỏ Tổn thất lượng hệ thống biết trước 193 Sự đưa vào hoạt động hệ thống đơn giản hố Nhược điểm Chi phí lắp đặt tăng theo khoảng cách Đường dây dễ bị cố kể ngầm hay mặt đất Sự cố xảy nơi dọc đường dây làm khó khăn cho việc sửa chữa trường hợp có cố Sự thay đổi nhiệt làm ảnh hưởng tới trở kháng dây, làm ảnh hưởng tới việc truyền thu tín hiệu Mức độ truyền tải số liệu lớn thường làm tăng tần suất xảy cố Doraiswarmy, Anrubah Kalthem(1989) đẫ mô tả nghiên cứu hàng không Ả rập Sê út nghiên cứu tính khả thi việc nâng cấp hệ thống đường dây điện thoại sẵn có trở thành hệ thống thu phát tín hiệu từ xa phục vụ thu phát số liệu 8.6.3- Sóng radio (sóng vơ tuyến điện) Sóng radio bao gồm dải tần số ấn định hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU), nhiên có ùn tắc làm cản trở việc truyền phát tín hiệu Ưu điểm: Chi phí lắp đặt phụ thuộc vào khoảng cách so với đường dây điện thoại Những cố kỹ thuật giới hạn vùng riêng biệt nên thuận lợi cho việc tu sửa chữa Khi dải tần số ấn định tính độc quyền bảo đảm Nhược điểm: Sóng radio dễ bị ảnh hưởng nhiễu khí Khó xác định tín hiệu khoảng cách điều kiện địa hình Nhiễu động xảy hệ thống có chung dải tần số sóng Có thể phải dùng trạm chuyển tiếp để nâng cao chất lượng tín hiệu 8.6.4- Hệ thống thu phát Meteor Burst Sao băng mảnh vụn bụi vũ trụ sinh phát triển vũ trụ phần laị chổi 194 Một số băng bị lơi xuống phần khí trái đất tiếp tục cháy Nó tạo vệt khí bị ion hố với chiều dài khoảng 25 km tầng khơng khí có độ cao từ 80 km đến độ cao 120 km tầng có tính chất phản xạ sóng radio(Crook Sytsma, 1989) Bằng cách này, số liệu gửi với khoảng cách lên tới 1920 km Hệ thống mơ tả hình 8-6 Số liệu truyền thu theo cách từ vũ trụ tới vũ trụ khác cách khoảng 160 km Thời gian thu phát cách dài phương pháp truyền đất đối đất tín hiệu khơng rõ ràng Một ví dụ điển hình loại hệ thống SNOTEL (SNOwpack TELemetry) đánh giá là hệ thống dẫn đầu hệ thống truyền phát Meteor Burst (Schaefer,1990) Hệ thống SNOTEL sử dụng Mỹ nơi có 500 trạm quan trắc từ xa nối kết với hai trạm chủ (Master Station) Thời gian để trạm nhận tín hiệu trả lời trạm chủ 6,5 phút Các trạm chủ phát tín hiệu ngược lại tới vệ tinh từ vệ tinh số liệu laị truyển tới nơi cần sử dụng Nếu khoảng cách từ trạm từ xa đến trạm chủ nhỏ (khoảng 160 - 240 km) trạm liên lạc với tín hiệu sóng radio mặt đất Số liệu báo cáo hàng ngày nhận từ 96% số trạm có chứa lỗi báo cáo thường cố lượng (acquy, lượng mặt trời) không vệt băng Các số liệu thống kê hoạt động hệ thống tính tốn cho phép kỹ thuật viên đánh giá hệ thống mà không cần trực tiếp đến địa điểm quan trắc 8.6.5 Truyền phát thơng tin vệ tinh Các vệ tinh sử dụng DCP phương tiện thu phát tín hiệu từ xa Về cơ chế hoạt động hệ thống vệ tinh giống hệ thống radio ngoại trừ hệ thống radio truyền tải thơng tin phạm vi tầng khí trái đất cịn hệ thống vệ tinh lớp Ưu điểm: 195 - Khơng địi hỏi trạm chuyển tiếp - Các cố kỹ thuật bị giới hạn vùng riêng biệt tạo thuận lợi cho việc tu sửa chữa - Chi phí lắp đặt DCP trạm nhận thơng tin ít, cơng việc lắp đặt đơn giản - Có thể di chuyển trạm dễ dàng - Phạm vi bao quát trạm thu rộng - Các ăng ten gây nhiễu đến hệ thống tín hiệu tầng khí - Việc lựa chọn nơi đặt trạm bị ảnh hưởng điều kiện địa hình - Có thể thu thập nhiều yếu tố - Tốn lượng - Việc thu truyền thông tin không bị hạn chế khoảng cách - Không cần giấy phép sử dụng dải tần số radio - Các vệ tinh có tính đa độ tương thích cao Ví dụ vào tháng năm 1984, vệ tinh Meteosat (được phóng năm 1977) bị hết nguyên liệu Để tránh số liệu, vệ tinh GOES4 (Geostationary Operation Environmental Satellite), vệ tinh phòng bị vệ tinh NOAA(National Oceanic Atmospheric Administration) dùng để thay Meteosat Kết khơng có số liệu bị không cần thay đổi dải tần số sóng điện từ Nhược điểm: Sự cố vệ tinh nhược điểm chính, có cố xảy chưa có vệ tinh phịng bị thay Một số vấn đề khác xảy lệch hướng dải tần số sóng radio, vấn đề thường xảy DCP Có hai loại vệ tinh vệ tinh địa tĩnh (Geostationary) vệ tinh quỹ đạo cực (Polar Obiting) Để có liên lạc tốt hệ thống vệ tinh địa tĩnh (ví dụ GOES) vệ tinh phải thuộc vùng dải tần số sóng radio trạm thu tín hiệu Các vệ tinh địa tĩnh thường dùng việc dự báo hình trường hợp khẩn cấp dự báo lũ số liệu có liên tục Đối với hệ thống vệ tinh quỹ đạo cực (ví dụ ARGOS) 196 khơng có trạm thu nhận thơng tin nằm tầm khống chế vệ tinh thông tin truyền bị Nhược điểm khắc phục phần ta cung cấp cho thiết bị ghi (recorder) để lưu trữ phát lần tiếp sau mà trạm thu thuộc tầm kiểm sốt Martens (1989) nghiên cứu tính khả thi việc truyền tiếp số liệu từ trạm khí tượng lên vệ tinh sau hai vệ tinh lại truyền tới trạm thu mặt đất Vệ tinh quỹ đạo cực Lansat sử dụng Các trạm thu thơng tin mặt đất nhận tín hiệu từ vệ tinh hai lần ngày lần từ đến 12 phút Khối lượng kiện thu bị giới hạn thời gian liên lạc Vệ tinh địa tĩnh GOES có nhiệm vụ vệ tinh chuyển tiếp Để tăng xác suất nhận số liệu, với số liệu truyền lần, đảm bảo mức độ thành công đạt 99%.Hệ thống tạo khả tạo dãy số liệu thủy văn biến đổi liên tục mà hệ thống thơng thường khơng có khả thực Shaw (1989) miêu tả hệ thống vệ tinh ARGS sử dụng hai vệ tinh NOAAvà TIROS-N mang theo thiết bị để thu nhận thông tin từ Platform Transmitter Terminals (PTT) DCPs từ truyền trạm thu Việc truyền số liệu từ PTT đến vệ tinh xẩy tối tiểu lần ngày PTT gần xích đạo lên tới 28 lần ngày vùng hai cực Cứ lần vệ tinh qua trạm thu tất số liệu truyền tới trạm thu Khoảng thời gian trao đổi thông tin từ đến 15 phút Các số liệu sau đựợc trực tiếp phân phối đến nơi sử dụng thông qua mạng thông tin khác điện thoại, telex vòng tiếng từ trạm thu mặt đất nhận từ vệ tinh Để thu nhận thông tin nhanh trường hợp khẩn cấp, người dùng dùng Terminal địa phương (LUT) để thu nhận số liệu trực tiếp với vệ tinh đồng thời số liệu gửi tới trung tâm tổng hợp phân tích xử lí liệu mà cơng việc sau tiến hành: Giải mã tín hiệu nhận chuyển thành đơn vị vật lý theo yêu cầu người sử dụng Tính tốn xác quỹ đạo vệ tinh 197 Tính tốn vị trí PTT Ghi seri số liệu lên máy tính Tạo lập sở liệu cho chương trình hay PTT Lớp250km Sao băng 160 km Vùng E Vùng băng 115 km Vùng D 85 km Tín hiệu rađio Phản tín hiệu Độ dài tối đa dải băng Hình 8.6 Hệ thống thơng tin đo xuất băng Barrett Martin (1981) ã phát bi u r ng s li u thu c t v tinh h u nh khơng có c tính hình th Vì v y c n ph i có d báo mang tính hình th m i có th d báo l c, ó d báo Sinơp 198 8.7- Khí tượng dự báo hình Sy nốp 8.7.1- Giới thiệu Một dự báo hình Synốp bao gồm phân tích yếu tố khí hậu gió, áp suất, nhiệt độ để đưa hình thời tiết vùng áp thấp, áp cao, vùng xốy thuận, xốy nghịch q trình liên quan khác.Các hình thể dạng đồ hình qua xác định xu chúng Cường độ hướng di chuyển yếu tố dự báo trước vài ngày trước tạo thành hình nguy hiểm Các dự báo hình yếu tố quan trọng việc dự báo lũ lũ có ngun nhân biến động yếu tố thời tiết (Collier,1989) Sự có mặt yếu tố khí hậu yếu tố định đến trình khác hình thời tiết mơ lại với đặc trưng thực tế mơ hình Theo Wicham (1980), có nhiều mơ hình mơ hình thời tiết phát triển Mặc dù yếu tố quan trắc gặp nhiều sai khác với yếu tố thu từ mơ hình Trong mơ hình này, quy luật vật lí áp dụng cho yếu tố thời tiết để dự báo tương lai 8.7.2- Kỹ thuật dự báo thời tiết Dự báo thời tiết sử dụng kỹ thuật sau (Wickham,1980): Ngoại suy xu có nội suy hình hình dự báo mơ Ước tính ảnh hưởng đốt nóng làm lạnh bề mặt So sánh với xu chung mơ hình hình Ước tính mức độ ảnh hưởng q trình động lực lệch hướng So sánh với điều kiện khí hậu thơng thường Dự báo thời tiết tiến hành phương pháp thủ công (chủ quan) kỹ thuật số (khách quan) tổng hợp hai loại (Collier, 1989) Những phương pháp mơ tả theo sơ đồ hình 8-7 Các số liệu thu thập từ thiết bị viễn thám chưa thể dùng mà yêu cầu phân tích tổng hợp làm trơn hố tạo trường nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, gió phù hợp với yêu cầu số liệu đầu vào mơ hình Số liệu 199 yếu tố thuộc tầng tầng sát mặt cung cấp từ trạm khí hậu thơng thường phương pháp hình khí hậu 8.7.3- Sử dụng vệ tinh dự báo hình Sy nốp Vệ tinh sử dụng rộng rãi cơng tác dự báo hình sy nốp để tìm trạng thái khí hậu như: Các dạng lốc xốy trơn ốc để tìm tâm vùng áp thấp, nhận dạng sớm chúng trước chúng đổ tới trạm mặt đất, công việc quan trọng công tác dự báo bão Các dải rộng mây front Hình tuyến tính mây để tìm hướng gió nhiệt Sương mù biển Băng, tuyết, yếu tố quan trong việc dự báo lũ Viễn thám - Vệ tinh- Rađa Tài liệu khơng khí tầng cao Tài liệu bề mặt Phân tích chủ quan Phân tích khách quan Mơ hình vật lý Ban đầu Sự chuẩn đốn Mơ hình số trị Dự báo xu Tổng hợp Mưa dai dẳng Metal oxi Khí hậu (M0S) Quyết định dạng biểu đồ Mẫu thừa nhận Mơ hình hàm Dự báo Tổng hợp Metal oxi (MOS) Hình 8.7: Các bước tiến hành dự báo thời tiết, với phương pháp chủ quan nằm bên trái phương pháp khách quan phía phải 200 Các dạng dự báo Ngoại suy thời tiết vệ tinh đa Chất lượng dự báo Mơ hình NWP qui mơ vừa Mơ hình NWP qui mô lớn T(Thời gian dự kiến) 12 18 24 30 36 Hình 8.8 Độ xác dự báo phụ thuộc vào thời gian dự kiến Dự báo thời tiết chia làm dạng dự báo hạn ngắn, dự báo hạn vừa dự báo hạn dài Dự báo hạn ngắn (nhỏ ngày) đến lượt lại chia làm dạng hình 8-7 Dự báo tức thời (Nowcasting) (0-12 giờ) dùng phương pháp ngoại suy từ yếu tố hình thời tiết biết Nowcasting cần thiết cho dự báo lũ.Với thời đoạn dự báo ngắn mức độ xác tăng Các mơ hình qui mơ vừa dùng để dự báo cho yếu tố thời tiết có đường kính hoạt động từ 20 -500 km với thời gian trì từ -50 Các mơ hình qui mơ lớn yếu tố thời tiết có đường kính hoạt động từ 500 5000 km thời gian trì từ 50-500 201 ... nhật phương án dự báo Phổ biến kết dự báo cảnh báo, kiểm tra phương án dự báo, giới thiệu báo cáo dự báo Hình 8.1 Cấu trúc chung thành phần hệ thống dự báo lũ viễn thám rađa 180 Hình 8.2 Hệ thống... lượng dự báo Mơ hình NWP qui mơ vừa Mơ hình NWP qui mơ lớn T(Thời gian dự kiến) 12 18 24 30 36 Hình 8.8 Độ xác dự báo phụ thuộc vào thời gian dự kiến Dự báo thời tiết chia làm dạng dự báo hạn... vật lí áp dụng cho yếu tố thời tiết để dự báo tương lai 8.7 .2- Kỹ thuật dự báo thời tiết Dự báo thời tiết sử dụng kỹ thuật sau (Wickham,1980): Ngoại suy xu có nội suy hình hình dự báo mơ Ước