Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo xây dựng công thức tính lượng mưa
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- HOÀNG MINH TOÁN XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2009 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- HOÀNG MINH TOÁN XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HƯỚNG ĐIỀN Hà Nội – 2009 3 Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp tôi được: Đài Khí tượng Cao không đã cho phép tiếp cận, tìm hiểu, triển khai và nghiên c ứu trên cặp số liệu khảo sát rađa thời tiết - số liệu đo mưa tự độ ng. TT Qu ốc gia Dự báo KTTV-Phòng Dự báo Hạn ngắn, Đài Khí tượ ng Thuỷ văn Khu vực Trung Trung Bộ, Công ty CMT Hà Nội đã tạo m ọi điều kiện thuận lợi cho tôi được đến và làm việc hoàn thành kế hoạch nhanh chóng và đạt yêu cầu. Các chuyên gia Nh ật Bản: GS.TS Matsumoto, GS.TS Kimpei ICHIYANAGI - Vi ện JAMSTEC, T.S.Hironari KANAMORI tại Đại học Tokyo, T.S Hideyuki KAMIMERA t ại Viện JAMSTEC đã chuyển giao kỹ thuật, công nghệ, trang thiết bị và cùng chúng tôi xây dựng hệ thống đo mưa tự độ ng. Bên c ạnh đó còn có sự giúp đỡ của các đồng nghiệp: T.S. Trần Duy Sơn, T.S. Ngô Đức Thành, Th.S. Nguyễn Viết Thắng, Th.S. Đào Thị Loan v.v . t ại Đài Khí tượng Cao không, T.S. Tạ Văn Đa tại Viện Khí tượng Thu ỷ văn và Môi trường. Sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, các bạn h ọc viên ở Bộ môn Khí tượng- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại h ọc Quốc gia Hà Nội. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS.T.S. Nguy ễn Hướng Điền và sự giúp đỡ của T.S. Nguyễn Thị Tân Thanh . Cho phép tôi bày t ỏ lòng biết ơn chân thành trước những sự giúp đỡ quý báu đó. Hà Nội, tháng 5/2009. 4 MỤC LỤC MỤC LỤC 4 M Ở ĐẦU . 6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT TAM K Ỳ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG 8 1.1. GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA 8 1.1.1. Lịch sử của rađa 8 1.1.2. Nguyên t ắc hoạt động 8 1.1.3. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không 10 1.1.4. Di ện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân gi ải của khối xung . 12 1.1.5.Các phương trình rađa Probert-Jones và phương trình rađa rút gọn đối v ới mục tiêu khí tượng 15 1.2. RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ . 18 1.3.H Ệ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG . 20 CHƯƠNG 2: ƯỚC LƯỢNG MƯA TỪ ĐỘ PHẢN HỒI VÔ TUYẾN C ỦA RAĐA KHÍ TƯỢNG 25 2.1. KI ẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MƯA 25 2.1.1.Mưa và một vài loại mưa thường gặp . 25 2.1.2.M ột số đặc trưng cơ bản . 26 2.1.3.S ự phân bố hạt mưa theo kích thước hạt . 27 2.1.4.Phân c ấp cường độ mưa . 29 2.1.5.S ử dụng rađa để phát hiện mưa 30 2.1.6.S ử dụng rađa để ước lượng mưa . 31 2.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SAI SỐ KHI ƯỚC LƯỢNG MƯA BẰNG RAĐA KHÍ TƯỢNG . 34 2.2.1. Sai số do hệ thống thiết bị rađa 35 2.2.2.Sai s ố do địa hình . 35 2.2.3.Các sai s ố do điều kiện truyền sóng dị thường trong khí quyển 36 2.2.4.Các sai s ố do công thức tính cường độ mưa không bao hàm hết các đặc tính của vùng mưa 37 2.2.5. Sai s ố do hệ thống thiết bị đo mưa mặt đất. . 38 5 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ . 39 3.1. PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG TỐI THIỂU . 39 3.1.1.Đặt bài toán về cách tìm các tham số 39 3.1.2.P hương pháp bình phương tối thiểu 40 3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ . 44 3.2.1. Một số kiến thức cơ bản về đánh giá . 44 3.2.2. M ột số đại lượng thống kê khách quan thường được sử dụng trong đánh giá 45 CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN, KẾT QUẢ VÀ KẾT LU ẬN 48 4.1. TI ẾN HÀNH XÂY DỰNG CÔNG THỨC 48 4.1.1.Thu thập số liệu 48 4.1.2 X ử lí số liệu và đồng bộ số liệu theo thời gian 49 4.1.3 Tính toán và đánh giá công thức . 56 4.1.3 Gi ới thiệu phần mềm tính toán và kiểm nghiệm . 58 4.2 KẾT LUẬN . 62 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 63 PH Ụ LỤC 65 PL1. Dạng đầu vào số liệu rađa . 65 PL2. D ạng đầu vào của đo mưa tự động mặt đất . 66 PL3.Mã ngu ồn phần mềm. 69 PL4.K ết quả tính toán . 91 6 MỞ ĐẦU Thời tiết ảnh hưởng rất lớn đến đời sống kinh tế–xã hội của loài người. Vi ệc dự báo các hiện tượng thời tiết ngày càng trở nên cần thiết và trở thành m ối quan tâm nhiều quốc gia trên thế giới. Dự báo thời tiết thông qua dự báo các y ếu tố: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, gió, mưa . Như chúng ta đã biết, mưa lớn là nguyên nhân chính gây ra lũ ở vùng Trung Trung bộ và đã để lại những h ậu quả rất nghiêm trọng cho vùng này trong nhiều năm qua nhất là trong thời gian g ần đây, vì thế dự báo định lượng mưa được quan tâm nhiều nhất. Để đo mưa định lượng (xác định cường độ mưa, tổng lượng mưa giờ, ngày…) đượ c ti ến hành với nhiều phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, một trong những phương pháp đó là sử dụng ra đa khí tượng. Ra đa có nhiều ưu điểm mạnh trong đo mưa định lượng so với mạng lưới trạm đo mưa trực tiếp tại mặt đất như: đo trong phạm vi rộng, xác định được diện tích vùng mưa, đo mưa với độ phân giải cao về không gian và thời gian. Ra đa có thể đo mưa tại các vùng sâu, vùng xa, ngoài bi ển nơi xây dựng rất khó khăn hoặc không thể xây dựng được những hệ thống trạm đo đạc yếu tố khí tượng bề mặt. Hơn thế nữa ra đa còn có thể xác định được cấu trúc không gian ba chiều của trường mây và mưa trong vùng hoạt động của ra đa. Tuy nhiên, thực tế biến động của trường mưa rất phức tạp, nhất là tính bi ến động ngẫu nhiên của chúng theo quy mô thời gian và không gian, thể hiện qua cường độ, phạm vi. Bên cạch đó hệ thống các trạm đo mưa trên lãnh th ổ Việt Nam vẫn còn khá thưa thớt, một số vùng quan trọng mạng trạm đo mưa không đủ dày, độ chính xác ước lượng mưa bằng ra đa phụ thuộc rất nhi ều vào các tham số như: độ rộng, mức độ bị che khuất của cánh sóng ăng ten, Một điểm nữa là các công thức tính lượng mưa khu vực Trung trung Bộ chưa có hoặ c mới ở giai đoạn áp dụng thử nghiệm vài hệ số thực nghiệm của 7 nước ngoài, vì thế ảnh hưởng rất lớn tới các phương pháp dự báo thời tiết, c ảnh báo hệ quả của hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Xu ất phát từ nhu cầu có được số liệu tốt phục vụ mục đích dự báo, điều tra, nghiên c ứu nên việc sử dụng những tính năng ưu việt của ra đa thời tiết k ết hợp với hệ thống đo mưa tự động để đo mưa mà đặc biệt là mưa diện rộng chính là m ực tiêu của luận văn này. 8 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA 1.1.1. Lịch sử của rađa Rađa là sản phẩm của sự phát triển kỹ thuật vô tuyến và điện tử học hi ện đại, nó được đưa vào sử dụng từ trước chiến tranh thế giới lần thứ II ở các nướ c có nền khoa học tiên tiến. Rađa được sử dụng cho mục đích quân sự, dùng để phát hiện máy bay khi chúng vẫn nằm ngoài vùng nhìn thấy được, rồi hi ển thị lên màn hình rađa. Công cụ này ngày càng được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho mục đích quân sự. Ngày nay, khi công ngh ệ khoa học kỹ thuật phát triển, rađa có tác dụng l ớn trong quốc phòng, kinh tế quốc dân và cả trong nghiên cứu khoa học. Nhờ những ưu điểm nổi bật mà rađa được sử dụng rộng rãi trong ngành khí tượng nh ằm phát hiện, theo dõi, nghiên cứu mục tiêu, trong đó có các mục tiêu khí tượng. 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động RADAR (RAdio Detection And Ranging) là một phương tiện kỹ thuật dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Có một điều thú vị là bản thân từ RADAR trong tiếng anh có thể đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà vẫn giữ nguyên các âm tiết như khi đọc xuôi, như thể nó mang hàm ý rằng sóng của rađa phát đi vào không gian và lại quay ngược trở lại rađa. Máy phát của rađa tạo ra một sóng điện từ mạnh truyền vào khí quyển thông qua anten. Trong quá trình truy ền sóng trong khí quyển, sóng điện từ 9 g ặp các mục tiêu, bị các mục tiêu tán xạ và hấp thụ. Mục tiêu tán xạ sóng điện t ừ theo mọi hướng trong đó một phần năng lượng sẽ quay trở lại anten. Hình 1.1. Anten rađa truyền sóng vào khí quyển Hình 1.2. Xung phản hồi lại rađa Anten nhận tán xạ sóng điện từ trở lại, tập hợp chúng và khuyếch đại chúng lên nh ờ bộ phận khuyếch đại điện từ. Tuy vậy, tín hiệu trở về có mức năng lượng nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu truyền đi. Mục tiêu càng tán xạ mạnh thì công suất tín hiệu nhận về càng cao. Sóng điện từ mà anten truyền ra có 3 thuộc tính cơ bản sau: - T ần số lặp (pulse repetition frequency) - Th ời gian phát xung (transmission time) - Độ rộng cánh sóng (beam width). T ần số lặp là số lần xung phát trong một giây, nó tuỳ thuộc từng loại r ađa. Thời gian phát xung (còn gọi là độ rộng xung) là khoảng thời gian mà r ađa phát ra một xung. Khi một chùm tia di chuyển với tốc độ ánh sáng thì độ dài của một xung (pulse length) có thể được tính một cách dễ dàng qua thời gian phát xung . Độ rộng cánh sóng được xác định bởi độ rộng của góc hợp b ởi hai tia có độ chói bức xạ bằng một nửa độ chói cực đại và ở những rađa 10 th ời tiết hiện đại nó có độ lớn khoảng 1 0 . Dựa vào độ rộng cánh sóng, độ dài c ủa một xung và khoảng cách từ rađa tới xung ta có thể tính được thể tích xung phát (pulse volume). Hình 1.3. Hình ảnh mô tả sóng điện từ mà rađa truyền ra 1.1.3. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không Khi lan truyền trong môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ ít nhiều đều bị suy yếu dọc đường do bị hấp thụ và khuếch tán bởi các phần tử của môi trường. Trong chân không, sóng điện từ không bị suy yếu bởi các hiện tượng này mà chỉ bị suy yếu nếu năng lượng sóng phải phân bố trong một vùng không gian ngày càng r ộng lớn hơn. Tuy nhiên, khí quyển sạch, không ch ứa các hạt aerosol (xon khí) chỉ hấp thụ và khuếch tán rất ít sóng vô tuyến điện từ mà các rađa thường sử dụng, do vậy có thể xem nó như một môi trường không gây ra sự suy yếu sóng. Trong mục này ta xét một mục tiêu điểm nằm trong môi trường như vậy hoặc trong chân không. N ếu anten phát sóng với công suất xung P t và hệ số khuếch đại của anten là G thì t ại mục tiêu ở khoảng cách r sẽ có mật độ dòng năng lượng sóng điện từ I m là: . c. Sản phẩm LRA(Z): Giá trị phản hồi trung bình của một lớp phản h ồi vô tuyến là sản phẩm độ PHVT trung bình giữa hai mặt cắt ngang song song v ới mặt. HOÀNG MINH TOÁN XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60.44.87
