đại học quốc gia hà nội trường đại học khoa häc tù nhiªn -nguyễn hướng điền (chủ biên) - Tạ văn đa khí tượng radar Hà Nội - 2007 lời nói đầu Giáo trình Khí tượng radar đời nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy môn học tên trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Toàn giáo trình gồm chương Bốn chương đầu bao hàm kiến thức sở khí tượng radar Chương cuối đưa số ảnh hiển thị radar mà thu thập phân tích chúng phần thực hành phân tích ảnh dựa kiến thức lí thuyết đà học Chương phần mở giáo trình, tức thay đổi, bổ sung theo ý người dạy Các ảnh chương ảnh màu cho nên, để thuận lợi cho việc in ấn, ghi đĩa CD kèm với giáo trình Chương TS Tạ Văn Đa viết thảo, chương lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền viết Việc sửa chữa biên tập lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền đảm nhiệm Tuy nhiên, trình biên soạn, tác giả có bàn bạc, góp ý cung cấp thêm tư liệu cho Một số hình ảnh sử dụng giáo trình TS Tạ Văn Đa sưu tầm thu thập từ trạm radar thời tiết Việt Nam Giáo trình dùng làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học nghiên cứu sinh muốn tìm hiểu khí tượng radar Khi biên soạn giáo trình, đà cố gắng trình bày theo phương châm bản, đại, Việt Nam Giáo trình đà qua số vòng giảng dạy, rút kinh nghiệm bổ sung Để hoàn thành giáo trình, đà nhận hỗ trợ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, giúp đỡ quí báu bạn đồng nghiệp trường Đài Khí tượng Cao không thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên Môi trường, đặc biệt TS Nguyễn Thị Tân Thanh, TS Trần Duy Sơn đà cung cấp nhiều hình ảnh tài liệu để hoàn thành giáo trình Chúng xin chân thành cảm ơn Giáo trình không tránh khỏi nhiều khiếm khuyết, mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Các tác giả Mục lục lời nói đầu .2 Môc lôc .3 Ch­¬ng Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 1.1 Sóng ®iƯn tõ vµ sù lan trun sãng ®iƯn tõ không gian .5 1.2 Radar ứng dơng cđa nã ®êi sèng 11 1.3 Giíi thiƯu vỊ cÊu t¹o thông số kĩ thuật radar thời tiết 12 1.4 Thể tích xung mật độ lượng sóng xung phát .20 1.5 Các kiểu phản hồi 22 1.6 Môc tiêu khí tượng 22 1.7 Phương trình radar mục tiêu điểm mục tiêu khí tượng môi trường không hấp thụ tán xạ sóng ®iÖn tõ 24 1.8 Phương trình radar Probert-Jones .28 1.9 Phương trình radar đơn giản Độ suy yếu độ truyền qua 29 1.10 Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến công suất 31 1.11 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất sãng thu .33 1.12 Quan hệ tần số lặp xung khoảng cách quan trắc tối đa 36 1.13 Hiện tượng khoảng cách ảo 37 1.14 HiƯu øng bóp sãng phơ 40 1.15 Khúc xạ tia quét radar tượng lớp dẫn sóng 41 1.16 Phương trình quĩ đạo sóng 42 1.17 Sai số khoảng cách độ phân giải khoảng cách .45 1.18 Sai số góc hướng độ phân gi¶i theo gãc h­íng .46 1.19 Dải sáng 48 Ch­¬ng 52 phân tích Gió Doppler sè s¶n phÈm cđa radar Doppler .52 2.1 Giíi thiƯu chung 52 2.2 Nguyên lí đo tốc độ giã b»ng radar Doppler 52 2.3 §é réng phỉ Doppler 56 2.4 Tốc độ ảo .60 2.5 D÷ liƯu Doppler khoảng cách ảo Nhận biết xử lí ảnh hưởng liệu khoảng cách ảo 62 2.6 Giải tình tiến tho¸i l­ìng nan” cđa radar Doppler 64 2.7 Mở rộng giới hạn đo xác tốc độ khoảng cách 65 2.8 Xác định hướng tốc độ gió 69 2.9 X¸c định vùng xoáy, phân kì hội tụ gió 74 2.10 QuÐt khèi sản phẩm radar Doppler 77 2.11 Các sản phẩm dẫn xuất cđa phÇn mỊm EDGETM 78 Ch­¬ng 93 Ước lượng m­a b»ng radar thêi tiÕt 93 3.1 Một số kiến thức vÒ m­a 93 3.2 Sử dụng radar để phát mưa 99 3.3 Sử dụng radar để ước lượng mưa 100 3.4 Dự đoán mưa đá radar có hai bước sóng 106 3.5 Các nguyên nhân gây sai sè ­íc l­ỵng m­a 107 3.6 Biến đổi profile độ phản hồi theo khoảng cách 111 3.7 HiƯu chØnh ­íc l­ỵng m­a b»ng radar theo sè liệu đo mưa mặt đất 113 Chương .117 nhËn biÕt mơc tiªu khÝ t­ỵng b»ng radar thêi tiÕt 117 4.1 Nhận biết loại mây qua độ phản hồi vô tuyÕn cña radar 117 4.2 NhËn biÕt tượng đứt thẳng đứng gió qua số liệu cđa radar kh«ng Doppler 121 4.3 Nhận biết tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (dông, tố, lốc, vßi rång) 122 4.4 NhËn biÕt b·o .131 Ch­¬ng .Error! Bookmark not defined phân tích ảNH HIểN THị RAĐA Error! Bookmark not defined 5.1 Phân tích ảnh mô hiển thị tốc độ gió Doppler Error! Bookmark not defined 5.2 Giới thiệu sản phẩm radar Doppler Error! Bookmark not defined 5.3 ảnh hiển thị mây mưa đối lưu radar Nha Trang Error! Bookmark not defined 5.4 ảnh hiển thị trường hợp xảy vào đầu mùa hè Guam Error! Bookmark not defined 5.5 H×nh thÕ giã biĨn Error! Bookmark not defined 5.6 Sự bùng phát gió mùa tây-nam Error! Bookmark not defined 5.7 Phân tích mặt cắt tốc độ giã Error! Bookmark not defined 5.8 Phân tích sản phẩm ETOP VIL Error! Bookmark not defined 5.9 Sù tan r· ®èi l­u diÖn réng Error! Bookmark not defined 5.10 ¶nh ph¶n håi tõ biĨn Error! Bookmark not defined 5.11 Xoáy thuận nhiệt đới Error! Bookmark not defined 5.12 B·o nhiÖt ®íi Error! Bookmark not defined 5.13 Lốc vòi rồng Error! Bookmark not defined 5.14 Front Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined Chương Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 1.1 Sóng điện từ lan truyền sóng điện từ không gian 1.1.1 Dao động điện từ sóng ®iƯn tõ Chóng ta ®· cã kh¸i niƯm vỊ tr­êng ®iƯn tõ Mn tõ ®ã ®i ®Õn kh¸i niƯm vỊ sóng điện từ cần phải thông qua khái niệm dao động điện từ Ta có mạch điện gồm tụ C cuộn dây L nối với (hình 1.1) Ta tích điện cho tụ C, hai tụ điện có điện trường tụ điện điện trường tác dụng triệt tiêu lẫn điện tích trái dấu hai Cuộn dây L vòng dây dẫn điện hợp thành Nó có tính chất là, có dòng điện qua, tạo nên từ trường tập trung lõi cuộn dây lan Khi nối công tắc K, tụ C phóng điện, điện tích chuyển động qua cuộn dây L tạo thành từ trường lõi cuộn dây Từ trường đạt giá trị cực đại toàn điện tích rời khỏi tụ điện, nghĩa điện trường tụ điện triệt tiêu Do chuyển dịch dòng điện, hai tụ điện C lại tích điện, trái dấu, điện trường hai tụ C đạt cực đại, từ trường cuộn dây triệt tiêu Sau tụ C lại phóng điện, điện tích lại tiếp tục chuyển động theo chiều ngược lại Đến ta thấy tượng trao đổi điện trường (của tụ) từ trường (của cuộn dây) giống tượng trao đổi động lắc Dòng điện chạy mạch, giả thiết tổn hao, biến thiên theo thời gian giống hình 1.2 tiếp tục mÃi mÃi Tương ứng với dòng điện, điện trường tụ từ trường cuộn dây biến thiên Đó dao động điện từ, mạch LC gọi mạch dao động Trong khoảng không gian hai tụ điện có điện trường biến đổi tuần hoàn theo lí thuyết điện trường biến đổi điểm tạo từ trường biến đổi điểm vùng lân cận, từ trường biến đổi đến lượt lại tạo điện trường biến đổi vùng lân cận Cứ vậy, điện trường từ trường biến đổi qua lại lan rộng dần không gian từ tụ sang tụ Đó sóng điện từ Hình 1.1 Khung dao động Hình 1.2 Dao động điện từ khung dao động Hình 1.3 Minh hoạ phát sóng điện từ vào không gian Nếu hai tụ điện mở rộng dần ra, sóng điện từ lan truyền từ sang qua khoảng không gian rộng (hình 1.3a) Khi hai tụ điện rời xa chúng trở thành anten phát anten thu (hình 1.3b) nơi phát, người ta phải có riêng phận tạo trì dao động (hình 1.3c) bù lại tổn hao mạch Một thông số đặc trưng dao động điện từ hay sóng điện từ chu kì dao động Trong vô tuyến điện, chu kì dao ®éng th­êng thay ®ỉi tõ 10-6 ®Õn 10-10 s Những dao động có chu kì ngắn thường gọi dao động cao tần, nghĩa có tần số cao Theo công thức (1.1), ứng với dao động có chu kì T = 10-6 s tần sè f = 106 Hz hay MHz; øng víi dao động có chu kì T = 10-7 s tần số f = 10 MHz Sóng điện từ lan truyền chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc ®é b»ng tèc ®é ¸nh s¸ng c ( 3.108 m/s) Sóng điện từ, chu kì dao động T tần số f, đặc trưng độ dài bước sóng Độ dài bước sóng khoảng cách mà sóng điện từ lan truyền thời gian mét chu k× Nh­ vËy: λ  cT  c f (1.1) Trong th«ng tin v« tuyÕn, ng­êi ta sử dụng sóng điện từ có tần số hàng ngàn Hz trở lên, gọi sóng vô tuyến Phổ tần số sóng vô tuyến chia bảng 1.1 Bảng 1.1 Tên gọi, bước sóng tần số dải sóng vô tuyến TT Tên gọi Bước sóng Sóng cực dài dài 100 km- km kHz - 100 kHz Sãng trung 50 m - km MHz - 100 kHz Sãng ng¾n 10 m - 50 m 30 MHz - MHz Sãng mÐt 1m - 10 m 300 kHz - 300 kHz Sãng ®Ị xi mÐt Sãng cen ti mÐt - 10 cm 30 GHz - GHz Sãng mi li mÐt - 10 mm 300 GHz – 30 GHz 0,1 m - m TÇn sè GHz -3 GHz Ngoài chiến tranh, để đảm bảo bí mật, dải sóng cực ngắn dùng cho radar, người ta dùng chữ để phân chia thành băng sóng L, S, X Sau tiếp tục sử dụng phân chia (bảng 1.2) Bảng 1.2 Tên gọi, bước sóng tần số số dải sóng cực ngắn dùng cho radar TT Tên gọi Bước sóng Tần số Băng L 30 cm - 15 cm GHz - GHz Băng S 15 cm - cm GHz - GHz Băng C cm - cm GHz GHz Băng X cm - 2,5 cm GHz 12 GHz Băng Ku 2,5 cm - 1,7 cm 12 GHz – 17 GHz Băng K 1,7 cm - 1,2 cm 17 GHz- 27 GHz 1.1.2 Sự tán xạ sóng điện từ Nếu đường lan truyền, sóng điện từ gặp vật thể mà tính chất điện (hằng số điện môi hệ số từ thẩm) khác với môi trường truyền bề mặt vật thể xuất dòng điện cảm ứng biến thiên mà tần số tần số sóng Các dòng điện tạo sóng điện từ thứ cấp lan truyền hướng phần theo hướng ngược lại phía sóng tới Đó tượng tán xạ phản xạ sóng điện từ Các vật thể nói gọi mục tiêu Với lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu không đổi, lượng phản xạ phía radar phụ thuộc vào kích thước, tính chất, hình dáng bố trí mục tiêu Thông thường để sử dụng tính toán đánh giá độ phản xạ mục tiêu người ta đưa đại lượng đo, diện tích tán xạ hiệu dụng Mỗi mục tiêu đặc trưng diện tích tán xạ hiệu dụng Diện tích tán xạ hiệu dụng mục tiêu diện tích mặt phản xạ lí tưởng đặt vuông góc với đường truyền sóng phản xạ lượng sóng chiếu vào hướng, tạo điểm thu lượng sóng điện từ lượng thực tế nhận điểm thu Diện tích tán xạ hiệu dụng đo m2 (hoặc cm2), phụ thuộc vào kích thước, hình dạng tính chất mục tiêu Nó không phụ thuộc vào lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu Thông thường diện tích tán xạ hiệu dụng xác định phương pháp thực nghiệm 1.1.3 Hiện tượng khúc xạ sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền chân không với quỹ đạo thẳng có tốc độ không đổi, tốc độ ánh sáng Nhưng môi trường không khí môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ lan truyền với tốc độ nhỏ quỹ đạo bị uốn cong Trong điều kiện bình thường khí quyển, sóng truyền ngang, quỹ đạo cong phía mặt đất độ cong 1/4 độ cong bề mặt trái đất Hiện tượng gọi tượng khúc xạ sóng điện từ Tỉ số tốc độ truyền sóng chân không tốc độ truyền sóng cho môi trường gọi số khúc xạ môi trường: n c v , (1.2) đó: n số khúc xạ thực (chiết suất) môi trường c tốc độ truyền sóng chân không v tốc độ truyền sóng m«i tr­êng Trong lÝ thut, ng­êi ta th­êng sư dụng số khúc xạ phức m môi trường tính công thức: m=n+ik, đó: i (1.3) , k - phần ảo số khúc xạ phức, đặc trưng cho mức độ hấp thụ sãng bëi m«i tr­êng Trong m«i tr­êng kh«ng khÝ, ë ®é cao mùc n­íc biĨn chØ sè khóc x¹ n có giá trị vào khoảng 1,0003 Trong điều kiện khí tượng bình thường, số khúc xạ n giảm dần từ 1,0003 sát mặt đất 1,000 tầng khí Thông thường có giảm độ cao tăng lên Để tiện tính toán, người ta chuyển đổi số khúc xạ sang khái niệm khác, độ khúc xạ (hay số khúc xạ qui đổi) N, xác định sau: N = (n-1) 106 (1.4) Chỉ số khúc xạ qui đổi độ khúc xạ khí tự phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ không khí áp suất nước khÝ quyÓn nh­ sau: N 77,6 e (p  4810 ) , T T (1.5) đó: T nhiệt độ không khí tính độ Kelvin; p áp suất khí quyển, tính hPa; e áp suất nước, tính hPa Trong tầng đối lưu thường ta tính N nhờ số liệu thám không 1.1.4 Sù suy u sãng ®iƯn tõ lan trun khÝ qun Sù suy u sãng ®iƯn tõ khÝ chủ yếu tượng hấp thụ tượng tán xạ (bao gồm tượng phản xạ) gây dải sóng centimet trở lên, hấp thụ không khí không đáng kể, suy yếu mây giáng thuỷ cần phải tính đến toàn dải sóng có bước sóng 10 cm, đặc biệt sóng cm vµ cm 1.1.4.1 Sù suy yÕu không khí Không khí chứa nitơ, ôxy, hyđrô, nước khí khác Suy yếu sóng điện từ nitơ khí khác không đáng kể, suy yếu nước ôxy cần phải tính đến Hình 1.4 cho thấy suy yếu sóng điện từ ôxy n­íc, ®ång thêi cho thÊy sù phơ thc cđa nã vào tần số sóng Từ hình vẽ thấy rằng, suy yếu không đáng kể dải tần số thấp 16 GHz Tất nhiên nước đậm đặc độ suy yếu lớn Chú ý độ suy yếu tính dB/km, sóng lan truyền quÃng đường 100 km suy yếu đáng kể 1.1.4.2 Sự suy yếu mây Sự suy yếu mây dao động nhiều so với không khí thân mây thay đổi Bảng 1.3 cho ta thấy độ suy yếu sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng, nhiệt độ mây phụ thuộc vào trạng thái mây (nước hay mưa đá) Đối với trạng thái đá mây, suy yếu nằm dải 0,0006 đến 0,09 dB/km Hiển nhiên, ta thấy độ suy yếu sóng đá nhỏ nước Với mây nước, độ suy yếu sóng bỏ qua sóng dùng radar §é suy yÕu (dB/km) 0 0 0 0, 0, 0, Hình 1.4 Suy yếu sóng điện tõ khÝ qun: Suy u « xy; Suy5 yếu nước với độ ẩm 7,5 g/cm áp suất không khí 1013,25 mb; (theo Bean Dutton, 1968) Bảng 1.3 Độ suy yếu mây (dB/km)/(g/m) Theo Gunn East, 1954 Pha mây Nhiệt độ (0C) B­íc sãng (cm) 0,9 1,24 1,8 3,2 rmax  c.( T  ) , (1.44) ®ã, c - vËn tèc truyÒn sãng; (T-) - thêi gian nghØ phát xung (còn gọi thời gian lắng nghe) Vì thời gian phát xung nhỏ (s) so với T (ms) nên công thức trªn cã thĨ thay thÕ T b»ng (T-) VÝ dơ, radar DWSR-2500C hoạt động với chế độ xung dài (víi F = 250 MHz vµ T = 4000 s), thời gian thu là: T = 4000 s – s = 3998 s Nh­ vậy, 99,95 % thời gian hoạt động radar thêi gian dµnh cho viƯc thu tÝn hiƯu, chØ 0,05 % thời gian để phát xung sóng điện từ Như phương trình viết dạng: rmax  cT  c 2F , (1.45) đó, F tần số lặp xung (s-1) = 1/T Ví dụ: Khi radar DWSR 2500C hoạt động khoảng cách tối đa, với F = 250s-1 (T = 4.10-3s), từ phương trình ta xác định rmax = 600 km Nếu mục tiêu xa rmax hình xuất khoảng cách khác hẳn với khoảng cách thực, khoảng cách ảo 1.13 Hiện tượng khoảng cách ảo Khoảng cách ảo (Range Folding) tượng radar hiển thị vùng PHVT vị trí góc hướng sai khoảng cách Hiện tượng xảy mục tiêu nằm khoảng cách tối đa rmax radar phát được, nghĩa mục tiêu vùng nghi ngờ Hình 1.16 ví dụ hiển thị xác vị trí vùng PHVT Hình 1.16 Trường hợp radar hiển thị xác vị trí vùng PHVT rmax Trong hình ta thấy mục tiêu khoảng cách thực 200 km, = 250 km (phần hình 1.16), có nghĩa xung có thời gian di chuyển khoảng cách tối đa 500 km, trước xung phát Khi xung gặp mục tiêu khoảng cách 200 km, phần lớn lượng xung tiếp tục truyền theo hướng đà định phần lượng phản hồi trở lại mục tiêu (phần hình 1.16) Khi phần lượng phản hồi truyền tổng cộng quÃng đường 400 km, phần l¹i tiÕp tơc lan trun xa radar Radar hiĨn thị xác mục tiêu khoảng cách 200 km, xung thứ hai chưa phát Kết thị sai lệch vị trí mục tiêu khoảng cách 200 km Trong hình 1.17: rmax = 250 km mục tiêu nằm khoảng cách 300 km; tức vượt 50 km rmax Xung thứ tác động tới mục tiêu 300 km (phần hình 1.17) phần lượng phản hồi trở lại radar phần lại tiếp tục truyền theo hướng ban đầu (phần hình 1.17) Mỗi phần lượng (thể tích xung) có thời gian để di chuyển khoảng cách 500 km trước xung phát (xung 2) Phần lượng tiếp tục truyền, đạt tới khoảng cách 500 km, lúc lượng phản hồi trở lại 200 km phía radar (đó vị trí khoảng cách 100 km so với radar) Khi xung thứ (xung tiếp theo) chuẩn bị phát radar chưa nhận tín hiệu phản hồi xung thứ Hình 1.17 Trường hợp radar chuẩn bị phát xung thứ chưa nhận tín hiệu phản hồi từ xung thứ hình 1.18 thời gian xung thứ hai 100 km đầu tiên, mục tiêu hiển thị hình lượng phản xạ xung tới sát radar (phần hình trên) Tuy nhiên xung thứ hai phát radar xác định lượng phản hồi nhận sau phản hồi xung thứ 2, thực chất lượng phản hồi xung thứ gây từ mục tiêu khoảng cách 300 km Radar xác định lượng phản hồi xung thứ xuất phát từ mục tiêu khoảng cách 50 km mà khoảng cách 300 km (phần hình dưới) Về bản, mục tiêu nằm khoảng cách rmax, xuất (hiển thị) khoảng cách sai lệch hẳn so với thực tế Nếu rmax = 250 km, mục tiêu nằm khoảng cách từ km đến 250 km xuất khoảng cách xác Các khoảng cách từ 250 km đến 500 km nằm chặng phản hồi thứ Một mục tiêu 550 km radar ghi nhận hiển thị 50 km (nằm chặng phản hồi thứ 3) Một cách tổng quát, khoảng cách thực rt khoảng cách quan trắc rdo có mối liên hệ sau: rt rdo  krmax , (1.46) ®ã k = 0, 1, , tuỳ theo đối tượng nằm chặng phản hồi thứ nhất, thứ hai, thứ ba, tương ứng Hình 1.18 Radar nhận tín hiệu phản hồi từ xung thứ hiển thị mục tiêu thể tín hiệu phản hồi từ xung thứ Ví dụ: Với trường hợp rmax= 150 km (khoảng cách tối đa thường gặp radar Doppler) mục tiêu nằm khoảng cách 30 km, 180 km 330 km Kết có giá trị số liệu riêng biệt khoảng cách 30 km Đây điều không tránh khỏi radar DWSR 2500C đà cố gắng khắc phục tượng cách tự động, không loại trừ hoàn toàn mà có trường hợp bị bỏ sót Bằng mắt thường, theo dõi tính liên tục theo không gian thời gian đám phản hồi mục tiêu, ta phát tượng Chẳng hạn, mục tiêu hiển thị khoảng cách lớn di chuyển xa, sau không lâu lại xuất khoảng cách nhỏ khoảng cách sau ảo v.v Ngoài phải kể đến trường hợp mục tiêu nằm khoảng cách lớn krmax chút, cụ thể từ krmax đến krmax + h (với h độ dài không gian xung) tín hiệu phản hồi tới radar lúc radar phát xung mới, nhận tín hiệu phản hồi 1.14 Hiệu ứng bóp sãng phơ NhiƠu bóp sãng phơ lµ kÕt phản hồi lượng búp sóng phụ đối tượng radar Năng lượng phát với búp sóng lớn gấp 100 lần so với lượng búp sóng phụ Do tăng lên lượng phản hồi ảnh hưởng búp sóng phụ bỏ qua, ngoại trừ quét mức góc cao thấp tồn nghịch nhiệt bề mặt (ảnh hưởng khúc xạ dị thường) Hiệu ứng búp sóng phụ lớn xảy trường hợp tồn mây đối lưu mạnh vùng gần radar Nếu gradient độ PHVT đủ lớn, tình xảy lµ bóp sãng chÝnh h­íng vµo vïng thêi tiÕt tèt búp sóng phụ lại hướng vào nơi có ổ mây đối lưu mạnh (hình 1.19) Trong trường hợp ảnh với độ phản hồi nhỏ hiển thị theo góc hướng tương ứng với búp sóng Trên sản phẩm PHVT, ảnh hưởng búp sãng phơ th­êng xt hiƯn nh­ mét hiƯn t­ỵng can nhiễu với độ PHVT yếu tia quét ë c¸c møc gãc cao nhá HiƯu øng bóp sãng phụ thường xảy từ búp sóng phụ lệch hướng không đến 10o góc so với búp sóng Hiệu ứng búp sóng phụ yêu cầu gradient độ PHVT theo góc phương vị theo phương bán kính phải đủ lớn để búp sóng phụ đủ sức vươn tới vùng có độ phản hồi lớn Hình 1.19 Để giải thích ảnh hưởng búp sóng phụ Nói chung, gradient phản hồi vượt 10 dBz độ-1 trì 6o góc hướng khoảng cách không đổi, hiệu ứng búp sóng phụ ®đ lín ®Ĩ g©y nhiƠu cho tÝn hiƯu thu cđa radar, thấy rõ hiển thị PPI RHI Các vật mặt đất nhà cửa, cối gần radar thường bị búp sóng phụ chiếu vào, gây tín hiệu phản hồi nhiễu Nếu vật không di động hình ảnh nhiễu không thay đổi lần quan trắc khác nhau, tìm cách loại bỏ 1.15 Khúc xạ tia quét radar tượng lớp dẫn sóng Radar tính độ cao mục tiêu dựa vào khoảng cách từ radar tới mục tiêu góc cao đường trung tâm tia quét radar điều kiện khí trung bình (điều kiện khúc xạ chuẩn) Nếu điều kiện khóc x¹ khÝ qun cã sù sai lƯch so với điều kiện chuẩn, tia quét lệch so với quĩ đạo chuẩn Nói cách khác, bị khúc xạ hay bị uốn cong mạnh yếu mức trung bình Hình 1.20 biểu diễn số đường truyền tia xạ điều kiện truyền sóng khác 1.15.1 Khúc xạ yếu (Sub refraction) Khi radar phát sóng điện từ, búp sóng bị khúc xạ (hay uốn cong) chút khí Nếu bị khúc xạ bình thường tượng gọi khúc xạ yếu hay khúc xạ chuẩn Trong trường hợp tia sãng sÏ cao h¬n so víi tia sãng trun điều kiện chuẩn độ cao mục tiêu mà radar tính thấp độ cao thực chúng cách mặc định, radar coi khí chuẩn tính độ cao mục tiêu điều kiện Trong điều kiện khúc xạ yếu, đỉnh mục tiêu nằm tầm ngắm, không bị radar phát Như vậy, việc đánh giá thấp độ cao đỉnh vùng PHVT, tượng khúc xạ yếu có xu hướng làm giảm nhiễu phản hồi từ địa hình bề mặt góc quét thấp số địa hình nhô cao nằm tia quét Hình 1.20 Minh hoạ đường truyền tia sóng điều kiện khác khí Khúc xạ yếu xảy gradient nhiệt độ khí gần với đoạn nhiệt khô độ ẩm tăng lên với tăng độ cao 1.15.2 Siêu khúc xạ (super-refraction) Trong tình ngược lại, tượng gọi siêu khúc xạ hay khúc xạ mạnh xảy tia sóng radar bị khúc xạ nhiều so với điều kiện khí chuẩn Độ cao tia sóng thấp so với độ cao điều kiện trung bình độ cao tính toán mục tiêu có giá trị cao thực tế Các điều kiện nghịch nhiệt lớp sát đất cao, xạ bề mặt, phân kì dông gần bề mặt, vận chuyển không khí lạnh sau đường front v.v gây nên tượng siêu khúc xạ Ngoài việc làm cho độ cao tính mục tiêu lớn thực tế, siêu khúc xạ làm tăng PHVT bề mặt (nhiễu địa hình) mức góc quét thấp Nói chung tất tia xạ radar (sóng điện từ) bị khúc xạ hướng không khí lạnh ẩm 1.15.3 Hiện tượng lớp dẫn sóng Hiện tượng kết hợp đặc biệt nhiều lần khúc xạ mạnh (siêu khúc xạ) búp sóng radar bị giới hạn, khúc xạ truyền lớp ổn định hay nghịch nhiệt Lớp gọi lớp dẫn sóng Khi lớp có chiều dài lớn nhiều so với hai kích thước lại gọi ống dẫn sóng Nó làm cho búp sóng bị uốn cong nhiều bình thường tia sóng xuống đến bề mặt đất phần lượng bị suy yếu Trong thực tế, tượng đặc biệt siêu khúc xạ Trong trường hợp xác định mục tiêu nằm xa rmax đặc biệt nghiêm trọng hoạt động chế độ Doppler (khi đo gió) rmax thường nhỏ, dẫn đến nhiều mục tiêu hiển thị khoảng cách ảo 1.16 Phương trình quĩ đạo sóng Một số lưu ý: m = 3,28 feet (ft), feet = 30,48 cm = 12 inches, nm = nautical mile (h¶i lÝ) = 1852 m = 6080 ft, nm/h = knot 0,5 m/s Biểu đồ độ cao khoảng cách h-r trình bày hình 1.21 dựa mô hình 4/3 bán kính Trái Đất (quỹ đạo sóng cong phía mặt đất với bán kính cong 4/3 bán kính Trái Đất) phép gần ®óng bËc nhÊt cđa ®é cao ®­êng trơc chÝnh bóp sóng radar Phương trình phương trình quĩ đạo sóng sử dụng để xác định độ cao (h) cđa ®­êng cong ®­êng trơc chÝnh cđa bóp sãng cã sù khóc x¹ chn khÝ qun: z  x cos   ,    9168,66  x sin   6076,115   (1.47) đó: z độ cao đường trục chÝnh cđa bóp sãng ë tÇm xa x so víi mức đặt anten radar (ARL- above radar level), tính feet (ft), x tầm xa, tính theo đơn vị nm (hải lí), - góc cao (góc nâng) anten Từ phương trình ta thấy z mét hµm bËc hai cđa x, nh­ vËy, nÕu  > xa radar, độ cao búp sóng lớn Nếu giả thiết radar đặt mức ngang mực nước biển, độ cao tính toán độ cao mực nước biển Ví dụ: mục tiêu độ xa nghiêng r = 55 nm góc cao anten búp sóng chiếu vào = 0,50, độ cao mục tiêu z 4921 feet mực nước biển (cũng độ cao mực radar trường hợp này) Tuy nhiên radar đặt vị trí độ cao không ngang với mực nước biển độ cao anten mực nước biển cộng thêm vào độ cao búp sóng radar để chuyển ®ỉi ®é cao so víi radar vỊ ®é cao so với mực nước biển Hình 1.21 Các đường biến ®ỉi ®é cao cđa tia sãng theo gãc cao vµ tÇm xa VÝ dơ: cịng víi vÝ dơ tr­íc nh­ng anten radar đặt độ cao 2079 feet mực nước biển Kết quả, ta nhận độ cao mục tiêu 4921 + 2079 = 7000 feet Nếu mục tiêu độ cao thực 4921 feet mực biển không phát búp sóng radar phát vượt cao mục tiêu Nên nhớ radar DWSR -2500C giả thiết sóng điện từ luôn truyền khí chuẩn Điều có nghĩa người sử dụng liệu radar phải luôn quan tâm đến biến đổi điều kiện môi trường, chẳng hạn như: - Khi qua mặt front tia sóng bị lệch đáng kể so với hướng mà hiển thị hình - Vào đêm khuya hay sáng sớm người ta thường nhận thấy có tăng lên đáng kể số lượng, cường độ vùng bao phủ nhiễu bề mặt đất tia sóng bị uốn cong xuống mức bình thường (siêu khúc xạ), kết nghịch nhiệt bề mặt Ban ngày, mặt trời đốt nóng khí lớp biên, tia sóng khúc xạ so với bình thường (khúc xạ chuẩn- sub-refraction) vùng bao phủ nhiễu bề mặt giảm 1.17 Sai số khoảng cách độ phân giải khoảng cách Khi búp sóng radar quét, khoảng 250 xung truyền giây không gian định nhờ đĩa phản xạ anten Mỗi xung riêng biệt xác định thể tích xung có độ dài khoảng 600m với độ rộng búp sóng 1o Điều có nghĩa mục tiêu nằm tia quét phải cách 300m để radar phân biệt mục tiêu riêng biệt Hình 1.22 Để giải thích ý nghĩa độ phân giải khoảng cách Hình 1.22 giúp hiểu rõ mục tiêu phải cách 1/2 độ dài xung (300 m) däc theo h­íng tia quÐt B­íc cho thÊy xung mang lượng radar vừa tới mục tiêu A Bước xung qua mục tiêu A phần lượng a phản hồi ngược lại phía radar Bước xung vừa tới mục tiêu B lượng phản hồi lớn tiếp tục phản hồi lại từ mục tiêu A Bước cho thấy xung qua B phần lượng b phản hồi ngược lại từ B Năng lượng phản hồi a từ mục tiêu A tiếp tục phản hồi phía radar (bước 5) Xung lượng phản hồi b từ mục tiêu B có chiều dài 1/2 chiều dài xung phát Khi điểm b gần trùng với đầu nút sau a Nếu mục tiêu cách không 1/2 độ dài xung, lượng phản hồi chồng lên radar phân biệt mục tiêu kết hợp chúng lại thành mục tiêu phản hồi Sai số vùng che phủ phân định mục tiêu độ phân giải khoảng cách không lớn trở nên đáng kể vùng mưa nhỏ, ổ đối lưu gần 1.18 Sai số góc hướng độ phân giải theo góc hướng Để hiểu khái niệm sai số gãc h­íng (cïng ®Ị cËp tíi nh­ sai lƯch độ rộng búp sóng) cần phải hiểu định nghĩa ®é réng bóp sãng radar §é réng bóp sãng radar, hầu hết trường hợp, vùng không gian mà mục tiêu khí tượng gặp tia quét vùng phản hồi trở lại phần lượng định để radar phát Radar thể quét qua mục tiêu góc hướng (hình 1.23)? hình 1.23a tia quét radar với độ rộng búp sóng = 20 gặp mục tiêu ®iĨm ë s­ên tr­íc cđa bóp sãng víi 1/2 c«ng suất đỉnh lượng phản hồi trở lại radar Radar nhận biết phản hồi từ mục tiêu đường trục búp sóng hiển thị mục tiêu (phần hình phía dưới) Vì hiển thị phản hồi từ mục tiêu thể cách vị trí thực tế khoảng 1/2 độ rộng tia quét Đó nguyên nhân gây sai số góc hướng Sai số góc hướng (góc phương vị) xảy mục tiêu hiển thị đường trục tia quét mục tiêu không nằm đường trục hình 1.23b đường trục tia quét cắt ngang mục tiêu sai số gãc h­íng Nh­ng anten cđa radar qt liªn tơc (theo chiều ngược kim đồng hồ) hình PPI, tượng lưu ảnh (ảnh trước chưa bị xoá ảnh sau đà lên), mục tiêu hiển thị cung tròn nhỏ có số đo 10 (phần hình phía dưới) Hình 1.23c sườn tr­íc cđa tia qt radar tiÕp tơc chïm lªn mơc tiêu Radar nhận phản hồi hiển thị nó đà bắt đầu hiển thị từ mục tiêu nằm đường trục tia quét Hiển thị phản hồi kết thúc tia quét đà quét qua mục tiêu Vì giới hạn phản hồi kết thúc 1/2 độ rộng tia quét so với vị trí thực mục tiêu Trên hình PPI, tượng lưu ảnh, mục tiêu hiển thị cung tròn nhỏ có số đo 20 (phần hình phía dưới) Hình 1.23 Để gi¶i thÝch sai sè vỊ gãc h­íng (radar qt theo chiều ngược kim đồng hồ) Hình 1.24 cho thấy sai số góc hướng kết làm tăng độ rộng mục tiêu lên 1/2 độ rộng tia quét phía Vì hiển thị mục tiêu lớn so với thực tế tổng cộng độ rộng mét tia qt Sai sè gãc h­íng lµ u tè quan trọng dẫn đến ước lượng vùng mưa rộng so với thực tế Do độ rộng tia quét tăng dần tăng khoảng cách so với vị trí đặt radar, sai số góc hướng tăng theo khoảng cách Hình 1.24 Để giải thích ý nghĩa độ phân giải theo góc hướng Cần phải lưu ý kích thước búp sóng tăng mặt phẳng ngang mặt phẳng thẳng đứng Vì sai số góc hướng theo chiều thẳng đứng ảnh hưởng đến kết ước lượng độ cao đỉnh vùng PHVT, độ cao chân mây v.v radar áp dụng hiệu chỉnh 1/2 độ rộng búp sóng sản phẩm Do sai số góc hướng làm cho hiển thị mục tiêu lớn kích thước thực tế 1/2 ®é réng tia qt c¶ vỊ hai phÝa cđa ®­êng trơc tia qt, hai mơc tiªu n»m trªn cïng khoảng cách so với vị trí đặt radar phân định mục tiêu riêng biệt hiển thị khoảng cách chúng tối thiểu phải độ rộng tia quét (Beam Width) VÉn hai mơc tiªu nh­ vËy nh­ng nÕu chóng ë xa radar khoảng cách chúng nhỏ độ rộng tia quét tượng lưu ảnh, chúng hiển thị hình quét tròn PPI mục tiêu kéo dài 1.19 Dải sáng Nhiều mưa rơi xuống mặt đất bắt đầu đá tuyết Trong lúc hạt mưa chuyển tiếp từ trạng thái băng tuyết sang nước lỏng, số thay đổi đáng ý đà xảy có ảnh hưởng lớn đến độ phản hồi vô tuyến Có hiệu ứng sau ảnh hưởng đến độ phản hồi vô tuyến: - Hiệu ứng tan băng, tuyết: Như đà nói trước đây, hạt nước có độ phản hồi lớn hạt đá tuyết có đường kính (do K i nước lớn gấp khoảng lần băng tuyết) cho nên, rơi xuống mức tan băng khí (mức đẳng nhiệt 00C), hạt băng tuyết tan làm tăng độ phản hồi vô tuyến Z (xem hình 1.25) Nhớ hạt băng tuyết bọc lớp nước bên ngoài, phản hồi mạnh hạt nước - Hiệu ứng thay đổi tốc độ rơi hạt: Khi rơi, hạt thường đạt tới tốc độ giới hạn rơi với tốc độ Tốc độ giới hạn vật rơi tự tốc độ không đổi xảy có cân lực hấp dẫn kéo xuống lực cản làm chậm xuống Tốc độ giới hạn hạt phụ thuộc vào mật độ hình dạng vào mật độ tính nhớt khí Các vật thể hình cầu trơn tru rơi nhanh vật thể xù xì (có khối lượng) Các vật thể nặng rơi nhanh vật thể nhẹ (có cïng kÝch th­íc) C¸c vËt thĨ ë cao khÝ nơi có mật độ nhỏ rơi nhanh so với vật thể gần mặt đất nơi có mật độ khí lớn Như vậy, thấy hạt tuyết rơi chậm hạt nước kích thước, hạt nhỏ rơi chậm hạt lớn Tốc độ rơi khác dẫn đến khác mật độ hạt N phần mây vùng mưa: phần dưới, nơi có nhiều hạt rơi nhanh, mật độ hạt giảm so với phần (tương tự qua đoạn đường ùn tắc, mật độ người tham gia giao thông giảm) làm cho độ phản hồi vô tuyến giảm (vì Z N) Khi tốc độ không tăng hiệu ứng hết - Hiệu ứng hợp hạt: Khi rơi, có tốc độ khác nên hạt va chạm với nhau, dẫn đến kết hợp chúng Tuy nhiên, hiệu ứng dễ xảy hạt nước lỏng hạt tuyết băng Sự hợp nhất, làm giảm mật độ hạt N làm tăng kích thước hạt, dẫn đến làm tăng độ phản hồi vô tuyến (vì Z D6 chØ  N) HiƯu øng nµy sÏ hết hợp cân với vỡ vụn hạt mưa Vậy, với điều đà nêu, tượng xảy tuyết rơi tan, chuyển thành mưa nước hay tổng cộng hiệu ứng sao? Hình 1.25 Sơ đồ minh hoạ hiệu hợp nhất, tan hạt thay đổi tốc độ giới hạn đến độ phản hồi radar tạo dải sáng Theo Austin Bemis, 1950 Bên mức tan băng khí (tức bên mức đẳng nhiệt 00C), tuyết rơi với tốc độ giới hạn tương đối chậm Ngay đạt đến mức tan băng, bắt đầu tan dần từ vào Điều có nghĩa cánh tuyết tan Khi tan đủ, tuyết bọc lớp nước với khả phản xạ tốt giọt nước lỏng độ lớn vừa phải lõi tuyết xốp hình dạng chưa có dạng cầu Như vậy, phản xạ giống giọt nước rơi chậm lớn Vì vậy, thay đổi từ đá sang nước lỏng lúc đầu làm tăng độ phản hồi thêm từ 15dBz từ tuyết đến vùng phản hồi cực đại (ứng với tâm dải sáng) Khi đà bọc nước, hạt tiếp tục rơi tan, kích thước giảm tốc độ giới hạn tăng lên chút Kết tác dụng giảm kích thước độ phản hồi giảm xuống mạnh Kết tăng tốc độ rơi làm giảm mật độ hạt N lớp chút làm giảm độ phản hồi vùng thêm chút Mặc dù có hợp làm tăng kích thước hạt, không bù lại giảm kích thước hạt tan Điều giải thích xuống vùng phản hồi cực đại, độ phản hồi lại giảm từ đến 10 dBz Hình 1.26 Profile độ phản hồi Z tốc độ rơi trung bình toàn phương v mưa nhỏ (1mm/h) với dải sáng; độ dài vạch ngắn nằm ngang biểu thị độ phân tán giá trị đo (theo Lhermtte Atlas, 1963) Xuống thấp nữa, đà tan hết thành nước lỏng hiệu hợp làm cho độ phản hồi lại tăng lên thường không mạnh dải sáng Trong trường hợp bất kì, độ phản hồi bên dải sáng thường xuyên lớn so với mức 00C Hình 1.26 cho ta thấy rõ biến đổi theo độ cao độ phản hồi Z tốc độ rơi trung bình hạt mưa Sự xuất dải sáng hình radar phụ thuộc vào loại hiển thị sử dụng Tổng hợp ba hiệu ứng kể dẫn tới độ phản hồi mây tăng vọt lên lớp mức 00C chút có bề dày vài trăm mét Trên hình radar không số hoá, dải thường xuyên sáng so với vùng khác, có tên "dải sáng" Trên mặt cắt thẳng đứng (RHI) dải sáng dải ngang; mặt cắt ngang (PPI) hình vành khuyên có độ phản hồi lớn Sự tồn dải sáng cho ta biết vị trí mặt đẳng nhiệt 00C, nhiên gây sai số việc ước lượng cường độ mưa Dải sáng xuất chủ yếu trình tạo mây dạng tầng có tính chất ổn định Khi đối lưu mạnh phát triển, chÕ vËt lÝ, nh­ng sù chuyÓn tõ tuyÕt sang m­a thường hỗn độn nên nhiều trường hợp phát dải sáng Khi phản hồi vô tuyến vùng rộng tương đối đồng nhất, dễ phát dải sáng nhiều Tuy nhiên, trình phân rà dông, phát dải sáng; có mặt thường xuyên trận mưa (hoặc phần trận mưa có dải sáng) tan ngừng hẳn ... gian kéo dài xung (độ rộng xung) khoảng cách tối đa quan trắc rmax  c.( T  ) , (1.44) ®ã, c - vËn tèc truyÒn sãng; (T-) - thêi gian nghỉ phát xung (còn gọi thời gian lắng nghe) Vì thời gian... 250 MHz vµ T = 4000 s), thời gian thu là: T –  = 4000 s – s = 3998 s Như vậy, 99,95 % thời gian hoạt động radar lµ thêi gian dµnh cho viƯc thu tÝn hiƯu, 0,05 % thời gian để phát xung sóng điện... hỗ trợ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, giúp đỡ quí báu bạn đồng nghiệp trường Đài Khí tượng Cao không thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên Môi