Chương phân tích Gió Doppler số sản phÈm cđa radar Doppler 2.1 Giíi thiƯu chung C¸c radar khí tượng loại thường (không Doppler, không phân cực) sử dụng để quan trắc vị trí hình dạng vùng phản hồi đo cường độ tín hiệu phản hồi Radar không Doppler (còn gọi radar non-coherent) cung cấp số liệu tốc độ gió lần đo Ngoài việc đo độ PHVT radar thường, radar Doppler phát khác tần số tín hiệu phát tín hiệu thu (tần số Doppler) biến đổi độ lệch pha tín hiệu Thông tin cho phép ước lượng tốc độ tương đối mục tiêu theo hướng xuyên tâm (tốc độ Doppler) Với nhiều mục đích khác nhau, biết tốc độ tương đối mục tiêu quan trắc so với điểm cố định mặt đất bổ ích Radar Doppler, gọi radar Coherent, đo khác tần số sóng điện từ chuyển động mục tiêu 2.2 Nguyên lí đo tốc độ gió radar Doppler Năm 1842 nghiên cứu sóng âm thanh, nhà bác học người áo có tên Doppler Kristsal (1803-1853) đà chứng minh máy phát sóng chuyển động tương máy thu tần số tín hiệu thu thay đổi Tần số tín hiệu thu tăng lên máy thu chạy gần vào máy phát, tần số tín hiệu thu giảm chạy xa Đây phát có giá trị, tượng mang tên nhà bác học, gọi hiệu ứng Doppler Sau người ta chứng minh rằng, hiệu ứng Doppler xuất với tất loại sóng (sóng ánh sáng, sóng điện từ) Giả sử mục tiêu điểm nằm cách radar quÃng r, quÃng đường mà sóng lan truyền 2r Nếu tính số lượng bước sóng quÃng đường lan 2r truyền , tính quÃng đường độ lệch pha (radian) tín hiệu 2r.2 thu tín hiệu phát (vì bước sóng tương ứng với radian) λ Nh­ vËy, nÕu m¸y ph¸t sãng víi pha ban đầu pha tín hiệu thu sÏ lµ:   0  2r.2π λ (2.1) Sù thay ®ỉi pha cđa tÝn hiƯu thu theo thêi gian sÏ lµ: d π dr  dt dt (2.2) Sự thay đổi pha tương ứng với thay đổi tần số f f t f r tín hiệu phát tín hiệu thu (ft fr tương ứng tần số phát thu) 2v dr d 2f ;  v;  Δf  dt λ dt (2.3) ë v vận tốc tương đối mục tiêu radar theo phương bán kính (phương nối từ radar tới mục tiêu) Sự khác biệt tần số f tín hiệu phát tín hiệu thu gọi tần số Doppler mà từ ta sÏ kÝ hiƯu lµ fd Nh­ vËy 2v fd  λ (2.4) Tõ hƯ thøc nµy ta thÊy mèi quan hệ tần số Doppler với tốc độ di chuyển mục tiêu theo phương bán kính (còn gọi tốc độ xuyên tâm) mối quan hệ tỉ lệ thuận Do đó, đo tần số Doppler radar ta xác định tốc độ xuyên tâm mục tiêu, sau có phương pháp tìm tốc độ toàn phần mục tiêu (sẽ xét mục 3.8) Những radar cho phép xác định tốc độ xuyên tâm theo cách gọi radar Doppler Qua ta thấy, muốn xác định xác tần số Doppler, tần số phát ft radar phải ổn định Phương pháp đo gió Radar Doppler cã mét sè h¹n chÕ sau: NÕu mục tiêu (mây) đo gió sóng phản hồi Nếu khoảng cách mục tiêu radar không thay đổi tốc độ Doppler không (chẳng hạn mục tiêu di chuyển theo phương vuông góc với phương xuyên tâm) Radar Doppler bị hạn chế khoảng cách cực đại đo được, tức mục tiêu xa khoảng khoảng cách đo bị sai lệch (khoảng cách ảo), dẫn đến mô tả sai lệch phân bố không gian gió Radar Doppler bị hạn chế tốc độ xuyên tâm cực đại đo được, tức mục tiêu có thành phần vận tốc xuyên tâm lớn giá trị cực đại tốc độ đo bị sai lệch (hiện tượng tốc độ ảo, nói thêm sau) Để rõ tượng này, xem phân tích đây: Do kĩ thuật xác định trực tiếp tần số cao khó, người ta phải xác định qua độ lệch pha tín hiệu Giả sử mục tiêu chuyển động phía radar víi tèc ®é cho thêi gian ®i xung t , di chuyển qu·ng ®­êng s = /4, lóc ®ã ®é lƯch pha sóng thu so với trường hợp mục tiêu đứng yên (cũng thay đổi độ lệch pha tín hiệu phát tín hiệu thu hai trường hợp đó) giảm lượng Nếu mơc tiªu di chun xa radar cịng víi tèc độ độ lệch pha tăng thêm Điều chứng minh từ hệ thức (2.2): d π dr 4π 4π 4π 4π    s    v    v.t  dt λ dt λ λ λ λ (2.5) Như vậy, ta không phân biệt trường hợp di chuyển gần xa radar mục tiêu này, xác định góc phẳng, số đo chúng chúng coi Nếu mục tiêu chuyển động nhanh đến mức /2, , 3/2 thời gian xung ®é lƯch pha sÏ thay ®ỉi mét l­ỵng b»ng 2k (k số nguyên) so với mục tiêu đứng yên Với thay đổi vậy, pha tín hiệu thu coi không đổi (so với trường hợp mục tiêu đứng yên) tốc độ radar đo không Thời gian tối đa xung mà không gây tượng khoảng cách ảo thời gian nghỉ hai xung liªn tiÕp ( T   ), vËy, tốc độ mà radar Doppler đo cách xác đơn trị tốc độ tạo độ lệch pha tín hiệu thu hai trường hợp di chuyển đứng yên mục tiêu thời gian nghỉ hai xung liên tiếp phải nhỏ ứng với quÃng đường di chuyển mục tiêu nhỏ /4 thời gian Tốc độ giới hạn ứng với độ lệch pha gọi tèc ®é Nyquist: v max  s λ/4 λ λF    t T   4T (2.6) Đây hệ thức quan trọng Từ thấy muốn đo tốc độ lớn ta phải tăng tần số lặp F tăng tăng Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm vượt vmax tốc độ đo bị sai lệch Từ (2.4) ta thấy r»ng f λ v max  d max (2.7) So s¸nh víi (2.6), ta suy F f d max  (2.8) Ta biÕt r»ng kho¶ng cách cực đại tính hệ thức cT   c.T c   rmax  2 2F muốn tăng rmax phải giảm tần số lặp F (2.6) vế với vế, ta được: c v max rmax (2.9) Nhân hệ thức hệ thức (2.10) Từ hệ thức ta thấy với radar có bước sóng không đổi muốn quan trắc xa (phải giảm tần số lặp F), ta đo tốc độ nhỏ, muốn đo tốc độ lớn (phải tăng tần số lặp F) độ xa cực đại phải giảm Đây tình tiến thoái lưỡng nan radar Doppler Mặc dù vmax lớn cho phép xác định xác tốc độ Doppler, rmax lại nhỏ, dễ dẫn đến tượng khoảng cách ảo Hình 2.1 Sự phụ thuộc rmax , vmax tần số lặp Hình 2.1 cho ta thÊy sù phơ thc cđa rmax vµ vmax vào bước sóng Từ công thức trên, ta thấy radar băng S (10 cm), F = 1000 Hz rmax=150 km vmax= 25m / s radar băng C (5 cm), nÕu F = 1000 Hz th× rmax=150 km, nh­ng vmax =  8m / s Víi tÇn sè lặp F = 1190 Hz = 5,33 cm rmax = 124,79 km, vmax = 15,86 m/s 2.3 Độ rộng phổ Doppler Khi có nhiều phần tử thể tích mẫu (ví dụ hạt mưa) phần tử có tốc độ Doppler (tốc độ xuyên tâm) riêng, tạo nên tần số Doppler riêng Tín hiệu phản hồi từ vùng nhỏ mây mưa (vùng phân giải) mà radar thu tổng hợp nhiều tín hiệu phản hồi từ nhiều phần tử Radar Doppler thường xử lí tín hiệu phản hồi để nhận giá trị tần số tốc độ Doppler trung b×nh cho mét thĨ tÝch mÉu, lÊy nã làm tần số tốc độ Doppler cho thể tích mẫu Cách xác định tần số tốc độ Doppler cđa mét mÉu phơ thc vµo thiÕt kÕ cđa xử lí Doppler Một có liệu tần số, cách xử lí đơn giản xác định tần số có lượng mạnh nhất, coi tần số Doppler Một cách xử lí khác thường sử dụng radar tính tần số Doppler trung bình trọng f d , với trọng số lượng ứng với tần số, tức hàm mật độ phổ lượng Nguyên lí phương pháp sau: Mỗi tín hiệu phản hồi vùng nhỏ mây mưa (vùng phân giải) tới máy thu thời điểm t cã thĨ biĨu diƠn b»ng hƯ thøc y( t )  A( t )e  i( t ) , (2.11) A(t) biên độ, (t) pha tín hiệu Đây tín hiệu tổng hợp nhiều tín hiệu phản hồi từ phần tử riêng biệt vùng phân giải Mỗi tín hiệu tổng hợp có công suất thu Pr , tần số thu fr tần số Doppler f d (  f t - f r ) t­¬ng øng Do mây mưa có nhiều phần tử, ta coi yếu tố hàm liên tục đối số Coi y(t) trình ngẫu nhiên dừng, ta tìm hàm mật độ phổ biên độ Y(fd ) Y ( f d )   y( t )e i fd t dt (2.12) Hàm mật độ phổ lượng tương ứng S' ( f d )  Y( f d ) (2.13) Hµm nµy coi có phân bố chuẩn thu từ hàm tự tương quan sau: T/ R(  )  lim  y( t )y * ( t  )dt , T  T  T / (2.14) ®ã  khoảng thời gian tự tương quan y*(t) hàm liên hợp phức y(t) Khi S(f) biÕn ®ỉi Fourier cđa R() :  S' ( f d )   R(  )e i fd  d  (2.15) C«ng st tÝn hiƯu thu trung bình tính theo hệ thức Pr  S' ( f d )df d  (2.16) Công suất cho phép radar Doppler đo độ phản hồi vô tuyến Z giống radar thường Tần số Doppler trung bình tính theo hÖ thøc  fd  f d S' ( f d ) Pr   df d  f d S( f d )df d ,  (2.17) ®ã S(f d )  S' ( f d ) Pr , (2.18) hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá Còn phương sai tần số Doppler   2   2  f   f d  f d S( f d )df d  f d  f d  (2.19) Độ lệch chuẩn f (căn bậc biểu thức trên) coi số đo độ rộng phổ (SW - Spectrum Width) tần số Doppler Hình 2.2 biểu diễn dạng giả định (dạng lí thuyết) hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tần số Doppler S(fd) độ lệch chuẩn f Hình 2.2 Hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tần số Doppler S(f d) độ lệch chuẩn f Hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tốc độ xuyên tâm S(v) ảnh hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tần sè Doppler S(fd) vµ ta cã thĨ viÕt S(f d )df d S( v )dv (2.20) Các phương trình với fd nêu chuyển đổi sang v Ta có hệ thức tham sè nµy nh­ sau:  v   fd , (2.21) S( v)  df d S(f d )   S(f d ) , dv  (2.22) 2  v  f (2.23) §é lƯch chn cđa tèc ®é v (thĨ hiƯn sù phân tán giá trị tốc độ riêng so với giá trị tốc độ trung bình mẫu) cho ta thông tin mức độ rối (loạn lưu) vùng có mục tiêu khí tượng Nó gọi độ rộng phổ tốc độ Doppler Độ rộng phổ tốc độ tần số Doppler hiển thị thị quét tròn quét đứng Sự biến động tốc độ Doppler mục tiêu mà nhiều nguyên nhân gây ra, độ đứt gió mẫu, chuyển động anten, tốc độ rơi khác hạt mưa loạn lưu Do ta cã thÓ viÕt: 2   s   a   d   , v t (2.24) ®ã  v - ®é lƯch chuẩn tốc độ tất nguyên nhân gây ra, s - độ lệch chuẩn độ ®øt (sù biÕn ®ỉi theo kh«ng gian) cđa giã mÉu,  a - ®é lƯch chn chun ®éng cđa anten,  d - ®é lƯch chn tèc độ rơi khác hạt mưa, t độ lệch chuẩn loạn lưu gây nên d chØ cã ¶nh h­ëng râ rƯt gãc cao anten lớn (vùng mưa gần radar) Đối với  f2 ta cịng cã thĨ viÕt hƯ thøc t­¬ng tự Độ đứt gió biến đổi vận tốc gió tốc độ hướng, khoảng cách định (khoảng cách thường lấy đơn vị) xét theo hướng Đối với radar có ý nghĩa khác tốc độ gió hai điểm thể tích mẫu Nó xảy theo hướng, chẳng hạn theo hướng thẳng đứng, hướng bán kính hướng phương vị (vuông góc với hướng trên) Khác với hiển thị phản hồi vô tuyến đơn thuần, để hiểu sản phẩm độ rộng phổ (SW) không hoàn toàn đơn giản Về hình thức, ảnh hiển thị SW trông tương tự ảnh hiển thị gió Doppler mục tiêu, khác số chi tiết SW cung cấp thông tin, từ đưa kết luận (không phải quan hệ trực tiếp) tượng khác môi trường khí loạn lưu, đối lưu, độ đứt cđa giã Ta cã thĨ kÕt ln r»ng lo¹n lưu mạnh độ đứt gió lớn vùng có ®é réng phỉ lín Sù thay ®ỉi nµy cã thĨ xác định sản phẩm VAD (s nói rõ mục 2.11.6), xác định độ cao từ 1000 feet (300 m) trở lên Sản phẩm SW xác hoá dự báo loạn lưu Sự phát triển đối lưu thường thấy sản phẩm SW trước thấy dấu hiệu đặc biệt sản phẩm PHVT Khi ta xem xét, PHVT có cường độ yếu 15 dBz ý nghĩa, SW có giá trị cao, gần vùng SW lớn thể chuyển động mây đối lưu Vì sản phẩm SW tất trường hợp (một số radar không cho hiển thị sản phẩm này), nên cần phân tích quan trắc thám không vô tuyến (cao không) sản phẩm khác trước đưa tin dự báo 2.4 Tốc độ ảo 2.4.1 Ví dụ tốc độ ảo Nói chung, tín hiệu phản hồi mà radar thu có tần số thấp tần số tín hiệu phát chứng tỏ mục tiêu di chuyển xa so với vị trí radar ngược lại Như tốc độ gió thể tốc độ Doppler mục tiêu đến gần rời xa vị trí radar Tuy nhiên, có hạn chế đo tốc độ gió radar Doppler Xe lửa thiết kế để chuyển động nhanh phía trước lùi lại phía sau Đồng hồ tốc độ tốc độ chạy tới tốc độ lùi Đồng hồ A cho phép đọc trực tiếp tốc độ tiến lùi từ 50m/s Tương tự đồng hồ đo tốc ®é cđa xe lưa, radar cịng cã tèc ®é giíi hạn vmax mà khoảng từ - vmax đến vmax radar đo tốc độ sai số Tốc độ đo xác phải đơn trị (unambiguous) Trên hình 2.4a xe lửa chuyển động với 40 km/h phía trước Đồng hồ tốc độ xác định xác tốc độ Trên hình 2.3b tốc độ tàu tăng thêm 20 km/h nên đồng hồ tốc độ ghi nhận trường hợp xe lửa chạy lùi với tốc độ 40 km/h Như vậy, xe lửa đà chạy với tốc độ vượt giới hạn cực đại thang số đồng hồ tốc độ khoảng tốc ®é (0 ; 50 km/h) lµ tèc ®é cho phÐp đo xác Ngay kim đồng hồ đo tốc độ vào giá trị 50 km/h ta tốc độ tiến hay lùi Tốc độ Doppler lớn giá trị cực đại vmax (tốc độ Nyquist) gọi tốc độ ảo (được hiển thị với giá trị khác giá trị thực) Hình 2.3 Để minh hoạ tốc độ ảo Một cách tổng quát, tốc độ Doppler thực vt liên hệ với tốc độ Doppler quan trắc vđo sau: v t  v  2kv max , (2.25) ®é mét nh­ng cịng cã thĨ theo tõng 0,50 Qt khèi cịng thực theo cách khác, thông dụng hơn, radar quét đứng góc phương vị khác nhau, góc phương vị thường 10 Chẳng hạn, radar DWSR-2500C có khả thu số liệu nhiều góc cao anten từ 00 đến 200 Số lượng góc cao chọn theo phán đoán người điều khiển, ý góc cao cần khoảng phút để quét tròn vòng Vì đà chọn 20 góc cao khoảng 20 phút để hoàn thành việc quét khối Thực đợt quét khối (tức quét 20 phút nghỉ 40 phút giờ) dẫn đến đánh giá cao thấp sản phẩm dẫn xuất ví dụ sản phẩm lượng mưa tích luỹ, thời gian tồn ổ đối lưu vùng nhiệt đới khoảng 20 ®Õn 60 Qt khèi 20 sÏ quan tr¾c ổ đối lưu giai đoạn phát triển khác đại diện cho 20 phút Chẳng hạn, radar quét ổ mây đối lưu giai đoạn phát triển cực đại, liệu đại diện cho 20 phút quét ổ đối lưu sau bắt đầu tan rà - cho kết ước lượng mưa cao so với thực tế Ngược lại, ổ đối lưu trạng thái mây tích bắt đầu phát triển chọn để đại diện cho kết thấp so với thực tế Quét khối 20 mét giê cịng sÏ t¹o sù biến động bất thường sản phẩm sản phẩm dẫn xuất Việc chọn góc cao nói chung không cung cấp đủ số liệu để thu xác sản phẩm dẫn xuất phần khí không quan trắc, đặc biệt khoảng cách lớn, vùng không quan trắc rộng Khi có mây xuất khoảng cách xa góc quét thấp cho số liệu Thông thường phản hồi vô tuyến nhỏ 18 dBz coi là mưa mà phản hồi từ hạt mây hạt tán xạ nhỏ khác 2.11 Các sản phẩm dẫn xuất phần mềm EDGETM Phần mềm EDGETM cho phÐp radar DWSR-2500C tù ®éng chun gãc cao, truyền phát tín hiệu lượng xung, thu lượng phản hồi cung cấp sản phẩm (gốc) độ phản hồi, tốc độ, độ rộng phổ sản phẩm dẫn xuất EDGETM điều khiển radar quét theo phương vị (quét tròn) góc cao ấn định chế độ PPI điều khiển anten quét mặt cắt đứng khí ë chÕ ®é RHI Ng­êi ®iỊu khiĨn cã thĨ chän quét khối quét theo cung tròn, quét liên tục hay quét vào thời điểm định Phần mềm EDGETM mở rộng giá trị tốc độ Doppler cực đại từ Vmax = 16m/s lên Vmax = 32m/s Vmax = 48m/s nhờ thuật toán unfolding 3:2 4:3 tương ứng Phần mềm EDGETM cho phép lấy từ số liệu gốc lưu trữ nhiều sản phẩm dẫn xuất hữu ích trình bày Các ví dụ sản phẩm dẫn xuất radar tìm thấy nhiều chương 2.11.1 Sản phẩm độ phản hồi vô tuyến cực đại (CMAX) Đối với diện tích bề mặt trái đất, CMAX (Column Maximum) sản phẩm hiển thị giá trị cường độ PHVT cực đại (dBz) phía bề mặt diện tích Giá trị nhận từ liệu quét khối Hình 2.14 giải thích cách nhận giá trị độ phản hồi cực đại pixel: cột hình có ô vuông ghi giá trị độ PHVT thu ứng với góc cao khác nhau, có ô chứa giá trị độ PHVT lớn cột (giá trị gạch dưới) Giá trị giá trị độ PHVT gán cho pixel (ô nhỏ) ứng với vùng đất thẳng phía Hình 2.14 Minh hoạ cách thu cường độ PHVT cực đại Đối với tệp liệu quét khối có sản phẩm CMAX hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các với vị trí radar tâm hình Mỗi pixel hình nhận giá trị cường độ phản hồi cực đại Vùng hiển thị quan trắc viên lựa chọn theo bán kính quét tối đa tệp liệu khối Thường rmax = 120 km 240 km Hình 2.15 ví dụ sản phẩm - Công dụng: + Cho phép tổng hợp nhanh trường cường độ PHVT cực đại vùng bán kính quan trắc radar Chỉ ổ đối lưu, dông mạnh + Chỉ độ trải rộng vùng PHVT + Có thể sử dụng để ước lượng mực băng hóa (mực 00C) - Những giới hạn: + PHVT địa hình truyền sóng dị thường cho giá trị độ PHVT trường mây tượng thời tiết liên quan + Các biểu hiện, dấu hiệu mặt phẳng ngang (như dạng móc câu,.) không phát Hình 2.15 Sản phẩm CMAX toạ độ cực thu từ số liệu quét khối vào lúc 5h 27 ngày 14 tháng năm 1994 radar đặt Guam (ảnh Tom Yoshida) 2.11.2 Sản phẩm đỉnh phản hồi vô tuyến (ETOP) Sản phẩm etop (Echo Tops) xác định độ cao ®Ønh PHVT so víi mùc n­íc biĨn víi hiĨn thÞ màu khác Sản phẩm ETOP đặc biệt cần thiết cho hoạt động hàng không sử dụng để xác định độ cao PHVT dông/mây đối lưu mạnh, phát triển đột biến, đặc biệt liên quan chặt chẽ với sản phẩm CMAX Sản phẩm ETOP nhận xử lí liệu khối, so sánh độ cao PHVT góc cao anten Bất kì ®Ønh vïng PHVT cã c­êng ®é  18 dBz sÏ hiển thị sản phẩm Tuy nhiên, người sử dụng lựa chọn giá trị khác độ PHVT tối thiểu thay cho 18 dBz Bắt đầu từ cánh sóng góc cao nhỏ nhất, thuật toán xác định độ cao đỉnh PHVT tạm thời độ cao có độ PHVT 18 dBz thẳng phía ô (pixel) bề mặt Sau xem xét góc cao tiếp theo, vị trí pixel bề mặt, thuật toán lại xác định vùng có độ PHVT 18 dBz độ cao vùng chọn đỉnh PHVT míi, thay thÕ cho ®é cao ®· chän tr­íc Cách lựa chọn thực liên tục với góc cao cánh sóng anten góc cao lớn tệp liệu khối Hình 2.16 minh hoạ cách lựa chọn này: số ô vuông có giá trị cường độ phản hồi từ 18 dBz trở lên, ô nằm độ cao lớn so với ô khác cột (các ô có giá trị gạch dưới) độ cao gán cho pixel thẳng phía Hình 2.16 Minh hoạ cách thu độ cao đỉnh PHVT Hình 2.17 minh hoạ cách thu độ cao đỉnh PHVT không gian Đối với tệp liệu quét khối có sản phẩm ETOP hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các Độ cao đỉnh PHVT (ETOPS) cho phép xác định vòng đời ổ mây đối lưu khả xuất thời tiết nguy hiểm Chẳng hạn, độ cao ổ dông tăng trưởng chứng tỏ dông mạnh lên cường độ ngược lại, độ cao giảm - dông yếu Nếu ETOPS giảm đột ngột nhanh biểu dòng giáng mạnh xuống gần mặt đất S¶n phÈm VIL (xem mơc 2.11.5) cïng víi ETOPS cã thể giúp để nhận biết số tượng xảy khí Sự giảm đột biến VIL cảnh báo cho ta khả dòng thăng suy yếu đột ngột mưa lớn kéo không khí xuống Ta cã thĨ nhËn thÊy ®é cao ®Ønh PHVT cịng giảm đột ngột biểu khả mưa mạnh dòng giáng mạnh từ đáy mây xuống mặt đất Hình 2.17 Minh hoạ cách thu độ cao đỉnh PHVT không gian vùng khí hậu ôn đới, giá trị VIL giảm mạnh biểu mưa đá từ mây dông - Giới hạn sản phẩm ETOPS: + Đỉnh PHVT hiển thị đỉnh mây phần mềm đà loại bỏ tín hiệu có độ PHVT < 18 dBz + Trên hiển thị ETOPS thường nhận thấy hiển thị bậc thang, tức đỉnh PHVT có bước tăng giảm đột biến Hình 2.18 cho thÊy, gãc cao cđa anten lµ 0,50, radar cho giá trị độ cao đỉnh phản hồi ứng với ®é cao cđa t©m bóp sãng d­íi, nh­ng gãc cao anten 1,50 , radar lại cho giá trị độ cao đỉnh phản hồi ứng với độ cao tâm búp sóng Hình 2.18 Để giải thích tượng đỉnh PHVT tăng giảm đột biến theo khoảng cách hiển thị radar + Khi mây gần radar, đỉnh PHVT thường tăng theo khoảng cách Nguyên nhân: độ cao cao mà búp sóng anten nâng tới thường 200 giới hạn khả quét vùng gần radar Vì mây gần, búp sóng không quét tới ®Ønh m©y, ®ã ®é cao ®Ønh PHVT ë ®©y thấp, không phụ thuộc vào độ cao mây mà phụ thuộc vào độ cao búp sóng Càng xa, độ cao đỉnh PHVT cao so với gần Phải từ khoảng cách đủ lớn trở đi, radar quan trắc toàn mục tiêu theo chiều thẳng đứng + Khi khoảng cách tới radar tăng, bậc thang thường trở nên lớn Nguyên nhân: Do búp sóng mở rộng theo chiều ngang chiều thẳng đứng theo khoảng cách, độ phân giải theo góc búp sóng giảm dần Kết bậc thang gần radar tương đối nhỏ, xa, chiều cao chiều rộng bậc tăng dần Điều thấy rõ hiển thị bậc thang trường mây có đỉnh đồng (mây tầng) 2.11.3 Sản phẩm độ PHVT trung bình lớp (LRA) độ PHVT mặt ngang (CAPPI) Hình 2.19 Mô tả cách thu sản phẩm LRA (giới hạn 10200 m, giới hạn 9900 m) LRA (Layer Reflectivity Average) sản phẩm độ PHVT trung bình lớp hai mặt cắt ngang song song với mặt đất người sử dụng lựa chọn Độ PHVT lấy trung bình từ số liệu chưa hiệu chỉnh (chưa loại bỏ nhiễu địa hình) đà hiệu chỉnh Phép trung bình hoá thực theo qui tắc tuyến tính Sản phẩm biểu thị đơn vị độ PHVT (dBz), cường độ mưa tổng lượng mưa (do cường độ mưa tổng lượng mưa có quan hệ với độ PHVT) LRA tạo thành từ tệp liệu khối với độ phân giải 10 phương vị Toàn khối liệu kiểm tra độ cao pixel PHVT tính Các giá trị PHVT pixel nằm mức đà chọn cột thẳng đứng tính trung bình Giá trị PHVT trung bình chiếu xuống bề mặt, giá trị LRA (hình 2.19) Trên hình 2.19 PHVT gạch đà lựa chọn cho sản phẩm LRA chúng nằm hai mức cao xác định, 9900 m 10200 m Chỉ có giá trị PHVT nằm hai mức cao giới hạn sử dụng Giá trị trung bình giá trị sử dụng để tạo sản phẩm Cách tính trung bình trung bình cộng Đối với tệp liệu quét khối có sản phẩm LRA hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các Khi hai mức cao giới hạn lớp chập lại làm một, sản phẩm LRA trở thành sản phẩm khác gọi lµ CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) Nh­ vËy, CAPPI cho ta giá trị độ PHVT mặt ngang mặt nón PPI (Plan Position Indicator) LRA sử dụng hữu ích xem xét đám mây, mưa theo phương nằm ngang Sản phẩm LRA có ý nghĩa CAPPI cho thông tin lớp có độ dày định CAPPI cho thông tin lớp có độ dày vô mỏng độ cao (coi CAPPI trường hợp riêng LRA) 2.11.4 Độ cao PHVT cực đại (Hmax) Hình 2.20 Mô tả cách thu s¶n phÈm Hmax (Z) S¶n phÈm HMAX (Heigt of Maximum Reflectivity) hiển thị độ cao PHVT cực đại pixel bề mặt (tính km, kft nm) Sản phẩm HMAX nhận từ tệp liệu khối Các giá trị độ cao vùng PHVT cực đại phía ô bề mặt (pixel) tệp liệu khối xác định chiếu xuống bề mặt (hình 2.20) Như vậy, tệp liệu quét khối có sản phẩm HMAX hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các 2.11.5 Tổng lượng nước cột mây (VIL) Nhiệm vụ thuật toán VIL (Vertically Intergrated Liquid) ước lượng tổng lượng nước lỏng băng tuyết cột mây có thiết diện định hiển thị Giá trị VIL trường hợp có mây đối lưu liên quan đến độ lớn dòng thăng, liên quan đến khả xuất hiện tượng nguy hiểm ổ mây Cb ổ dông Sản phẩm VIL công cụ tốt để phân biệt dông nguy hiểm dông không nguy hiểm Thuật toán VIL, tương tự thuật toán ước lượng cường độ mưa, sử dụng công thức thực nghiệm để chuyển giá trị cường độ PHVT sang giá trị hàm lượng nước lỏng (còn gọi độ chứa nước) W Công thức thực nghiệm thường sử dụng mây mưa nước lỏng Z 2,4.10 W 1,82 vµ cho m­a tuyÕt lµ Z  3,8.10 W 2, , ®ã Z tÝnh mm6/m3, W tính g/m3 Đầu tiên, sử dụng tệp liệu khối, thuật toán tính giá trị VIL (hàm lượng nước lỏng hay độ chứa nước W, tính kg/m3) điểm pixel búp sóng anten từ giá trị cường độ PHVT Sau đó, thuật toán cộng tất giá trị VIL theo phương thẳng đứng mức góc cao anten khác (hình 2.21) Kết ta có giá trị tổng lượng nước cột không khí phía đơn vị diện tích bề mặt, tức giá trị VIL biểu thị lượng nước (không kể nước) cột kg/m2 ứng dụng VIL xác định vùng dông mạnh chuyển thành nguy hiểm giá trị VIL tăng lên vượt ngưỡng VIL có ích theo dõi vùng PHVT, phát từ giai đoạn ổ đối lưu có khả phát triển mạnh phân biệt dông với mưa rào, phân biệt dông nguy hiểm không nguy hiểm Từ tệp liệu quét khối có sản phẩm VIL hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các Các giá trị VIL lớn thường biến đổi theo vị trí địa lí, mùa hệ thống thời tiết Khối không khí ấm, ẩm có giá trị VIL cao khối không khí khô, lạnh Việt Nam, mùa khô, mưa chuyển tiếp phải nghiên cứu để xác định giá trị VIL riêng ảnh hưởng vị trí địa lí nơi đặt radar (như Tam Kú, Nha Trang, Nhµ BÌ-Thµnh Hå ChÝ Minh) cịng cần quan tâm tìm hiểu Sự biến động VIL ban đêm phải nghiên cứu Hình 2.21 Mô tả cách thu sản phẩm VIL Vùng hình dạng hiển thị VIL quan trọng Vùng có giá trị VIL lớn cần quan tâm đặc biệt Vùng có VIL giá trị lớn, rộng đáng tin cậy vài giá trị VIL lớn ë vµi pixel Chóng lµ biĨu hiƯn cđa ỉ xoáy lớn cần kiểm tra Gradient giá trị VIL quan trọng Gradient giá trị VIL lớn, liên tục dấu hiệu tượng dông mạnh lên Có thể xác định xu biến đổi giá trị VIL qua vài chuỗi liệu quét khối liên tục Dông đòi hỏi có thời gian để phát triển giá trị VIL thay đổi đột ngột từ giá trị thấp lên giá trị cao Xu tăng dần giá trị VIL dấu hiệu dông mạnh lên chứng tỏ dòng thăng mạnh lên làm cho hạt nước cột mây tăng kích thước dẫn đến tăng lên độ PHVT Dông có trục nghiêng di chuyển nhanh cho giá trị VIL không đại diện cho ổ mây đối lưu mà ta quan tâm Thuật toán VIL tính giá trị VIL cột mây thẳng đứng khí dông có trục nghiêng mạnh nguyên nhân gây nên giá trị VIL thấp cao giá trị thực tế (hình 2.22) Hơn sau quét với nhiều góc cao (chẳng hạn, khoảng thời gian khoảng 20 phút) sản phẩm VIL xử lí, với dông di chuyển nhanh đà không vị trí hiển thị sản phẩm Ngay với chế độ quét khối phút, ổ dông di chuyển nhanh chạy vượt trước nên sản phẩm VIL không với thực tế Hình 2.22 Dông có trục nghiêng di chuyển gây nên giá trị VIL thấp giá trị thực tế miền có kÝch th­íc 2,2 nm  2,2 nm (« vu«ng ë phần hình) Khoảng cách mục tiêu cần quan tâm sử dụng sản phẩm VIL Khi mục tiêu di chuyển phía radar xa vị trí radar, sản phẩm VIL quan trắc cách thay đổi độ cao cánh sóng anten; ví dụ, mục tiêu 100 km góc cao anten phải từ 00 đến 4,50 để quét tõ d­íi thÊp tíi ®é cao km, 70 km cần từ 00 đến 80 để đạt tới độ cao Khi dông di chuyển vào gần xa radar, giá trị VIL thể xu tăng lên giảm Dông cao km thường có độ PHVT lớn hơn, giá trị VIL lớn 2.11.6 Hiển thị profile tốc độ hướng gió ngang (VAD) VAD (Velocity Azimuth Display Winds) sản phẩm hữu hiệu radar DWSR-2500C VAD tương tự số liệu đo gió tức thời TKVT, lần quét khối Mặc dù sử dụng hiển thị VAD đơn giản, tính toán thông tin gió phức tạp Thuật toán VAD cung cấp số liƯu giã cho ng­êi sư dơng Tht to¸n VAD sư dụng để tính toán phân bố thẳng đứng trường tốc độ hướng gió ngang Thuật toán nhận liệu tốc độ Doppler từ búp sóng anten mức góc cao tính lại tốc độ ngang, đưa phân bố thẳng đứng (profile) tốc độ hướng gió ngang Tốc độ gió hiển thị trông xương cá cờ nhỏ (hình 2.23), giống kí hiệu tốc độ gió điền đồ Synôp (các xương dăm cho biết tốc độ gió, xương dăm ngắn ứng với tốc độ knots 2,5 m/s, xương dăm dài ứng với tốc độ gấp đôi vậy, hướng gió hướng phương vị cán nối xương dăm này) Hình 2.23 Sản phẩm VAD thu từ số liệu quét khối vào trước lúc 8h 59 ngày 19 tháng năm 1994 radar đặt Guam (ảnh Tom Yoshida) Chú ý: Nếu PHVT góc cao anten (do đối tượng phản xạ sóng), liệu gió hiển thị chữ ND (no data) sản phẩm VAD Màu sắc xương cá cho biết độ lệch chuẩn việc xác ®Þnh tèc ®é giã VAD cho ta tèc ®é giã độ cao khác với khoảng cách 330m (1000feet) Sản phẩm biểu thị kết tính toán nhiều tệp liệu quét khối liên tục cho ta profile thời gian-độ cao VAD Công dụng VAD: Dựa vào VAD ta phát độ đứt hướng gió, có ích để phân tích front VAD liệu mặt cắt thẳng đứng tốc độ gió cần thiết để ghi nhận vị trí dòng khí, quan trọng phân tích gió mùa 2.11.7 Sản phẩm lượng mưa tích luỹ (ACM) ACM (Accumulated Rainfall Mount) độ dày tổng lượng nước mưa tích luỹ diện tích bề mặt khoảng thời gian định: 1, 3, 24 khoảng thời gian ng­êi sư dơng lùa chän (N giê) S¶n phÈm thường tính cho vùng có bán kính quét 240 km với độ phân giải km2 toạ độ Đê-Các, chuẩn hoá theo bước thời gian hiển thị hệ toạ độ khác Sản phẩm ACM ứng với khoảng thời gian là cường độ mưa ACM sản phẩm xử lí tự động Người sử dụng phải đưa vào thời điểm ban đầu Sau đưa sản phẩm 0, phần mềm bắt đầu tính tổng lượng mưa tích luỹ Tại thời điểm sau thời điểm ban đầu người sử dụng chọn sản phẩm cho hiển thị Sản phẩm lượng mưa tích luỹ thời đoạn (từ thời điểm t sau thời ®iĨm “ban ®Çu” ®Õn t+1h), giê, 24 giê, N tổng lượng mưa từ thời điểm ban đầu đến thời điểm mà phần mềm tính cập nhật Việc tính toán tổng lượng mưa tích luỹ tiến hành liên tục người sử dụng cho ngừng lại Các kết tính toán (các sản phẩm ACM) lưu máy người sử dụng khởi động lại chương trình tính Nhớ phải đặt tổng lượng mưa trước bắt đầu chương trình Số liệu ACM tích hợp lưới toạ độ Đềcác với độ phân giải km2, 480 x 480 pixel (mỗi pixel ô vuông có cạnh km) với vị trí radar tâm ảnh hiển thị ACM nhận từ trường PHVT đà hiệu chỉnh chưa hiệu chỉnh chuyển đổi thành cường độ mưa I theo quan hệ Z-I, có đưa vào tuỳ chọn đặc biệt để ng­êi sư dơng cã thĨ dïng ®Ĩ thay ®ỉi quan hệ Z-I Quan hệ ngầm định Z = 200.I1,6 (quan hƯ Marshall-Palmer, sÏ nãi kÜ h¬n ch­¬ng sau) Sản phẩm ACM sử dụng với nhiều mục đích số liệu radar đà hiệu chỉnh với mạng lưới đo mưa mặt đất Trước hết sản phẩm ACM phục vụ cho dự báo dòng chảy lũ lụt, ước lượng độ ẩm đất, sản lượng thu hoạch nông nghiệp, bảo vệ khỏi cháy rừng v.v 2.11.8 Sản phẩm mặt cắt thẳng đứng tuỳ chọn (XSEC) XSEC sản phẩm hiển thị có nghĩa không tự động tạo thời gian quét số sản phẩm khác (chẳng hạn, PPI, RHI độ phản hồi Z, tốc độ Doppler v độ rộng phổ) Sản phẩm XSEC hiển thị người sử dụng tạo có yêu cầu thời gian thực Muốn XSEC tạo ra, người sử dụng phải xác định thời điểm, điểm bắt đầu kết thúc đường cắt sản phẩm hiển thị Thuật toán XSEC chuyển từ liệu ba chiều dọc theo đường thẳng đà chọn, tạo mặt cắt thẳng đứng qua đường cắt nói vào thời điểm đà yêu cầu Sản phẩm XSEC tạo thành cho độ PHVT đà chưa hiệu chỉnh, tốc độ gió xuyên tâm (gió Doppler), cường độ mưa (I), hàm lượng nước lỏng (ACM độ cao) độ rộng phổ (SW) XSEC tạo thành với cấu trúc không đổi mảng chiều phần tử đà nội suy thể toạ độ Đê-Các mà trục tung trục độ cao, trục hoành độ xa (khoảng cách theo phương ngang) Nó không hiển thị toạ độ cực, hầu hết sản phẩm dẫn xuất khác tạo toạ độ cực Đê-Các, trục tung trục hoành biểu diễn khoảng cách theo phương ngang Kích thước không đổi XSEC ô với độ phân giải 125m theo chiều thẳng đứng độ dài đường cắt chia cho 384 khoảng theo chiều ngang Trong độ phân giải theo chiều thẳng đứng không đổi, độ phân giải ngang phụ thuộc vào kích thước đường cắt mà người sử dụng đà chọn, nghĩa độ dài đường cắt chia cho 384 Đối với mặt cắt trường cường độ phản hồi vô tuyến, đường cắt nên chọn qua vùng PHVT đặc biệt, mặt cắt tốc độ trạm radar, nên cắt theo hướng phương vị vuông góc với đường số phía (gió thổi đến gió thổi đi) Cũng nên tạo mặt cắt vuông góc với hướng nêu vùng gió thổi đến gió thổi khoảng cách khác so với vị trí radar Cả loại mặt cắt cung cấp thông tin để xác định hội tụ hay phân kì tốc độ dọc theo hướng phương vị xét 2.11.9 Kĩ thuật phát dải sáng (BB) Khi chức BB (Bright Band) lựa chọn, tệp liệu khối kiểm tra profile (phân bố thẳng đứng) độ PHVT xác định thời điểm đà thu Sau đó, profile kiểm tra để tìm chỗ có tăng đột biến cường độ PHVT tinh thể tuyết tan phần phía độ cao gần mức 00C khí (hiệu ứng dải sáng) Nếu dải sáng phát hiện, độ cao phân bố xác định lưu tệp liệu khối Bất kì sản phẩm tạo thành từ tệp liệu khối hiển thị giá trị độ cao dải sáng 2.11.10 Di chuyển vùng mưa dông xoáy (VECTOR) Sản phẩm thiết kế để dự báo ngắn hạn vùng mưa liên quan đến dông, xoáy phủ vùng rộng di chun nh­ mét thĨ thèng nhÊt nh­ d¶i m­a front, dải mưa xoáy thuận nhiệt đới (các dải xoắn) VECTOR sử dụng nhận dạng chiều để phát vùng mưa hay vùng PHVT có dạng gần giống đồ PPI CAPPI liên tiếp độ PHVT cường độ mưa Các đồ cách khoảng thời gian không Hệ số tương quan vùng mưa đồ đồ thời điểm liền kề trước tính cho nhiều hướng (cặp giá trị khoảng cách x y) nhận hệ số tương quan lớn Hướng có tương quan lớn sử dụng làm hướng di chuyển vùng mưa 2.11.11 Theo dõi đường dông cảnh báo (TRACK) TRACK phần mềm nhận dạng theo dõi đường di chuyển ổ dông Khác với phần mềm VECTOR nhận dạng không gian chiều, TRACK nhận dạng ổ vùng không gian chiều liên tục mà độ PHVT vượt ngưỡng người sử dụng đà định trước Thông qua viƯc sư dơng mét vµi u tè chÝnh nh­ kích thước vị trí, ổ đối lưu phải phù hợp với từ lần quét khối liên tiếp File lịch sử tạo vị trí, kích thước đặc trưng thống kê khác ổ dông thay đổi không nhiều từ lần quét khối sang lần quét khối khác Vị trí khứ ổ hiển thị sản phẩm Hiển thị ổ dông hoạt động ghép chồng lên hiển thị CMAX cho thấy đường ổ dông Cách nhận dạng ổ dông: Phần mềm kiểm tra dọc theo góc cao khác tệp liệu khối để tìm nơi mà giá trị độ PHVT vượt giá trị ngưỡng Nếu tìm tối thiểu điểm ảnh (pixel) liền kề nhau, kết tìm nhớ vào danh mục liên kết cấu trúc số liệu riêng gọi đoạn Khi tất đoạn nhận dạng ghi nhớ, thuật toán tiếp tục tập hợp đoạn tìm thành ổ cách gộp nhóm tất đoạn gần kề theo phương thẳng đứng với Những nhóm liên kết nhớ vào danh mục liên kết ổ Tiếp theo, ổ phân loại cách tÝnh thĨ tÝch ỉ, vïng pháng t©m ỉ (cell centroid) nhân với trọng số độ PHVT, đỉnh PHVT, đáy PHVT, cường độ PHVT trung bình, cực tiểu cực đại đặc trưng thống kê khác Nếu thể tích ổ vượt giá trị cực tiểu người sử dụng định trước, ổ coi dông để phân loại giữ danh mục, ngược lại bị loại bỏ Khi dông đáp ứng tiêu chuẩn đà phân loại dông mạnh, cảnh báo phát Dông mạnh xác định dông với độ phản hồi cực đại vượt giá trị dBz cực đại người sử dụng đặt Giá trị mặc định thường 55 dBz Điều kết thúc phần nhận dạng phần mềm Danh mục liên kết dông gọi vào phần theo dõi thuật giải Nếu có file lịch sử mô tả dông từ tệp liệu khối trước đó, đọc vào nhớ để tạo danh mục liên kết dông cũ, mặt khác dông lưu giữ đơn giản để tạo lịch sử, không phù hợp dông cũ xảy Thời điểm quan trắc cuối trước đối chiếu với thời điểm khác biệt thời gian vượt ngưỡng người sử dụng định trước, số liệu quan trắc cuối bị loại bỏ Với lần phù hợp vùng mây dông cũ mới, tốc độ hướng trung bình chuyển động tính toán cho vùng mây dông Khi tệp liệu khối đánh giá, dông xác định hoạt động hay không hoạt động Nếu không hoạt động, số liệu dông bị loại bỏ Trong vùng nhiệt đới, dấu vết dông khó kéo dài 1h (vì thời gian hoạt động dông thường ngắn) Trên số sản phẩm phÇn mỊm EDGETM lÊy tõ sè liƯu qt khèi loại radar DWSR-2500C Các phần mềm chủng loại radar đổi mới, cập nhật hết Tuy nhiên, thuật giải phần mềm áp dụng cho chủng loại radar giống phần mềm cũ ... max  v (2. 30) Khi ®ã, tõ hệ thức (2. 27) (2. 28) ta có   '' k  k v max  k  k ''2 v max (2. 31) từ v max k  k ,2  '' v max k  k (2. 32) So s¸nh hƯ thøc nµy víi (2. 26) ta suy k  k ,2 n  ''... thu tốc độ vdo1 vdo2 Các tốc độ phải thoả mÃn hệ thức (2. 25), tức là: v t  v do1  2k v max (2. 27) vµ v t  v do2  2k v max , (2. 28) víi vt lµ tèc độ thực đối tượng, k1 k2 số nguyên, âm dương... kính Hình 2. 9 Các đường đẳng tốc Doppler đường dòng xoáy tương ứng với hình 2. 8 Hình 2. 10 ảnh mô hiển thị tốc độ gió Doppler ph©n bè vËn tèc giã mét vïng giã ph©n kì qui mô vừa phía bắc radar (có