Tài liệu Nghiên cứu xây dựng quy trình phát hiện theo dõi các hiện tượng thời tiết nguy hiểm

BTNMT TTKTTVQG BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA Số 4 Đặng Thái Thân – Quận Hoàn Kiếm – Hà Nội ---------------------*******----------------------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÁT HIỆN THEO DÕI CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT NGUY HIỂM: TỐ, LỐC, MƯA ĐÁ, MƯA LỚN CỤC BỘ BẰNG HỆ THỐNG RAĐA THỜI TIẾT TRS-2730 Chủ nhiệm đề tài: TS. TRẦN DUY SƠN 7573 25/11/2009 HÀ NỘI, 5-2009 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA Số 4 Đặng Thái Thân - Hoàn Kiếm – Hà Nội ---------------------*******----------------------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÁT HIỆN THEO DÕI CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT NGUY HIỂM: TỐ, LỐC, MƯA ĐÁ, MƯA LỚN CỤC BỘ BẰNG HỆ THỐNG RAĐA THỜI TIẾT TRS-2730 Chỉ số đăng ký: Chỉ số phân loại: Chỉ số lưu trữ: Cộng tác viên chính: TS. Vương Quốc Cường, ThS. Nguyễn Viết Thắng, CN. Nguyễn Tuấn Tài, KS. Lê Văn Thảo, KS. TrịnhVăn Lý, KS. Nguyễn Văn Hải, KS. Nguyễn Xuấn Hiếu Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Hà Nội, ngày tháng năm 2009 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI CƠ QUAN THỰC HIỆN CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐÀI KHÍ TƯỢNG CAO KHÔNG TRUNG TÂM KTTVQG KT. TỔNG GIÁM ĐỐC Q. GIÁM ĐỐC PHÓ TỔNG GIÁM ĐỐC TS. Trần Duy Sơn Nguyễn Thị Tân Thanh Trần Văn Sáp Hà Nội, ngày tháng năm 2009 HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Hà Nội, ngày tháng năm 2009 CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI TL. BỘ TRƯỞNG KT. VỤ TRƯỞNG VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÓ VỤ TRƯỞNG TS. Nguyễn Lê Tâm Nguyễn Lê Tâm GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU VÀ DANH TỪ VIẾT TẮT TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Giải thích Viết tắt, ký hiệu Áp cao lạnh Áp thấp bị nén Áp thấp nhiệt đới Áp cao cận nhiệt đới Cột phản hồi vô tuyến yếu hầu như thẳng đứng được bao bọc bởi một phía và bên trên bằng phản hồi vô tuyến rất mạnh Hội tụ hiệt đới Đường tố trước bão Đường tố sau bão Hiện tượng thời tiết nguy hiểm cục bộ Hội tụ kinh hướng Dạng PHVT hình móc câu Dạng PHVT đường sóng gấp khúc Phản hồi vô tuyến Mặt cắt nghiêng (Chỉ thị màn hình tròn) Rãnh gió Tây Mặt cắt thẳng đứng Thám không vô tuyến Xoáy thuận nhiệt đới Vùng PHVTyếu được bao bọc bởi một phía và bên trên bằng PHVTmạnh Độ cao mức ngưng kết đối lưu Độ cao mức đẳng nhiệt 00C Năng lượng đối lưu tiềm năng Độ xoáy tương đối Chỉ số năng lượng xoáy Tốc độ thăng cực đại Tham số tạo xoáy Chỉ số hoạt tính lốc ACL ATBN ATNĐ ACCNĐ BWER HTNĐ ĐTTB ĐTSB HTTTNHCB HTKH HOOK LEWP PHVT PPI RGT RHI TKVT XTN WER LCL FRZG CAPE Sr- rH EHI MVV VGP SWEAT MỞ ĐẦU Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “ Nghiên cứu xây dựng Quy trình phát hiện theo dõi hiện tượng thời tiết nguy hiểm: tố lốc, mưa đá, mưa lớn cục bộ bằng hệ thống ra đa thời tiết TRS-2730” được thực hiện ở đài Khí tượng Cao không, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia Bộ Tài nguyên và Môi trường do TS. Trần Duy Sơn làm chủ nhiệm. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu để xây dựng quy trình phát hiện, theo dõi các hiện tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu phát triển mạnh như tố, lốc, mưa đá, mưa lớn cục bộ gọi tắt là hiện tượng thời tiết nguy hiểm cục bộ (HTTTNHCB) bằng hệ thống ra đa thời tiết TRS-2730 phục vụ cho công tác dự báo cực ngắn và cảnh báo. Trong quá trình thực hiện đề tài đã giải quyết được các nội dung sau: - Tổng quan được các HTTTNH liên quan đến mây đối lưu phát triển mạnh có thể phát hiện và theo dõi bằng ra đa thời tiết; - Tổng kết được một số loại hình thế Synop điển hình thuận lợi cho việc xuất hiện dông mạnh và có khả năng gây nên tố lốc, mưa đá và mưa lớn cục bộ; - Tổng kết được hoạt động của tố lốc, mưa đá trên lãnh thổ miền Bắc Việt nam ( từ Quảng Bình trở ra) như: số ngày và số lần xuất hiện theo các tháng trong năm cho cả vùng và cho các tỉnh trong khu vực; - Nghiên cứu và rút ra một số kết luận ban đầu về ảnh hưởng của các điều kiện bất ổn định nhiệt động lực ảnh hướng đến việc xuất hiện các HTTTNHCB; - Xây dựng được các đặc điểm phản hồi vô tuyến (PHVT) liên quan đến các HTTTNHCB làm cơ sở cho việc phát hiện và theo dõi các hiện tượng này ở trạm ra đa thời tiết có trang bị loại ra đ TRS-2730. - Dự thảo được Quy trình phát hiện và theo dõi các HTTTNHCB bằng hệ thống ra đa thời tiết TRS-2730; - Thực hiện việc thử nghiệm quy trình ở 3 trạm ra đa thời tiết và có đánh giả kết quả. Trong quá trình thực hiện đề tài chủ nhiệm và các công tác viên gặp nhiều khó khăn do không lường trước được những sự cố như: hệ thống các ra đa TRS-2730 hoạt động không ổn định (vào đúng mùa khảo sát ra đa hoạt động không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật để đo định lượng hoặc bị hỏng phải ngừng quan trắc). Số liệu về các HTTTNHCB không có đầy đủ trong dãy số liệu lưu trữ của các trạm Khí tượng bề mặt trong mạng lưới quan trắc thời tiết của Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, đặc biệt là số liệu về gió tự ghi (liên tục theo thời gian). Rất nhiều số liệu thu thập được từ nguồn tư liệu quá khứ đã không sử dụng được để phục vụ cho mục tiêu của đề tài. Hơn thế nữa các HTTTNHCB thường xảy ra trong phạm vi thời gian và không gian nhỏ nên khó có những ghi nhận đầy đủ để làm căn cứ sử dụng. Vấn đề phân tích thông tin thám không vô tuyến cũng có những trở ngại do số lượng kỳ quan trắc thám không rất ít (2 kỳ trong ngày), nên khó phát hiện tính quy luật của các chỉ số nhiệt động lực của khí quyển ảnh hưởng quyết định đến khả năng hình thành các HTTTNHCB, chỉ phát hiện được có sự tăng đột biến về giá trị các chỉ số đó trong phần lớn các ngày có hiện tượng so với ngày trước đó. 1 Trong thời gian thực hiện đề tài chủ nhiệm đã nhận được sự động viên và tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc Gia, lãnh đạo đài Khí tượng Cao không và các đài Khí tượng Thuỷ Văn Khu vực: Đông Bắc, Việt Bắc, Bắc Trung Bộ. Xin chân thành cảm sự quan tâm và gúp đỡ quý báu đó. Chủ nhiệm đề tài cảm ơn tập thể các cán bộ chuyên môn về Khí tượng ra đa của Đài Khí tượng Cao không đã có những cộng tác tích cực trong quá trình thực hiện đề tài. Cảm ơn tập thể ba trạm ra đa thời tiết Phù Liễn, Vịêt Trì và Vinh đã cộng tác tích cực trong việc thu thập tư liệu khảo sát, theo dõi và kiểm chứng kết quả thử nghiệm Quy trình. Cám ơn phòng Dự báo Hạn ngắn Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương đã có những sự cộng tác và giúp đỡ rất hiệu quả. CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT NGUY HIỂM CỤC BỘVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT NGUY HIỂM CỤC BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGOÀI Các hệ thống thời tiết có kích thước khác nhau. Có những hệ thống cỡ lớn, kéo dài trong nhiều ngày, chi phối thời tiết trên một khu vực rộng lớn, phát hiện được thông qua việc phân tích bản đồ Synop. Song cũng có những hệ thống cỡ nhỏ hơn chỉ hoạt động trong khu vực nhỏ và chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn cỡ vài phút đến vài giờ. Việc phân loại các hệ thống thời tiết theo kích thước đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Fujita [17] đã tổng kết kích thước các hệ thống thời tiết khác nhau và phân loại chúng để làm cơ sở cho việc nghiên cứu phạm vi ảnh hưởng. Orianski [25] đã phân loại các hiện tượng thời tiết cỡ vừa (Mesoscale) thành ba nhóm α; β và γ theo kích thước ngang. Kết quả phân loại của các tác giả đã được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Phân loại các hệ thống thời tiết cỡ vừa [25] Hệ thống thời tiết Frong nóng Bão lớn (Hurricane) Xoáy thuận nhiệt đới Áp thấp nhiệt đới Frong khô ( Dry front) Bão cỡ vừa Áp cao cỡ vừa (Mesohigh) Đường gió giật Xoáy thuận nhỏ ( Mesocyclone) Dông siêu đám ( Supercell storm) Mây vũ tích Tố ( Microburst) Lốc xoáy (Tornado) Kích thước 300 - 1000 km 300 -2000 km 300 -1500 km 300 - 1000 km 200 - 1000 km 300 – 500 km 10 -500 km 10 – 300 km 10 – 100 km 20 -50 km 1 -30 km 1-4 30 – 3000 m Thời gian hoạt động 1-3 ngày 1-7 3 -15 5 - 10 1-3 2-3 3 -12 0,5 – 6 giờ 0,5 - 6 2- 6 1-3 2 – 15 ph. 0,5 – 90 ph. Gió cực đại (m/s) 15 90 33 17 20 50 25 35 60 70 - Cỡ α α α α α β β β β β β γ γ Những hệ thống mà trong đó mây đối lưu phát triển mạnh thường kèm theo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như dông, tố lốc, mưa đá và mưa lớn cục bộ. Các hiện tượng này ít khi xảy ra song gây thiệt hại rất lớn. Bởi vậy chúng được đặc biệt quan tâm. Dông tố nói chung là những nhiễu động có tính chất địa phương gây nên bởi các quá trình động lực trong mây đối lưu phát triển mạnh. Trong những năm đầu của thể kỷ trước các hiện tượng này đã được nghiên cứu song do thiếu các phương tiện kỹ thuật hiện đại như ra đa thời tiết, vệ tinh khí tượng nên các kết quả chưa nhiều và chưa có tính thuyết 3 phục cao. Với sự xuất hiện của ra đa thời tiết, vệ tinh khí tượng... hiện tượng này được khảo sát và nghiên cứu sâu hơn. Nhiều nước đã xây dựng được các hệ thống quan trắc và cảnh báo rất hữu hiệu các hiện tượng này trên cơ sở sử dụng các chỉ tiêu nhận biết hiện tượng tính toán được theo số liệu thám không và số liệu ra đa thời tiết. Hiện tượng dông tố kèm theo gió xoáy mạnh có khi có cả mưa đá liên quan đến các quá trình đối lưu mạnh, có kích cỡ khoảng 2-50 km, kéo dài trong khoảng từ vài phút đến 6 giờ được gọi chung là các hiện tượng thời tiết nguy hiểm cục bộ (HTTTNHCB). Theo phân loại của bảng 1.1 các hiện tượng này thuộc hệ thống cỡ vừa (nhóm γ và cuối nhóm β). Trên màn hình ra đa thời tiết các hiện tượng này được thể hiện bằng đám hoặc tập hợp đám phản hồi vô tuyến (PHVT) với những đặc điểm định tính và định lượng riêng đặc trưng cho từng loại. Ở Nga, trong những năm nửa cuối của thế kỷ trước, hiện tượng HTTTNHCB đã được nghiên cứu kỹ. Hai cơ quan nghiên cứu nhiều về tố, lốc, mưa đá là Viện nghiên cứu khí tượng núi cao và Đài vật lý địa cầu Trung ương. G.K. Sulacvelize, L.M. Phetchenko, N.I. Gluskova [14]... từ những năm bảy mươi, đã xây dựng các chỉ tiêu về nhận biết dông mạnh có khả năng gây tố, lốc theo số liệu thám không. Quan hệ giữa điều kiện nhiệt động lực của khí quyển, giữa độ cao đỉnh PHVT mây đối lưu và độ cao đối lưu hạn với khả năng xảy ra lốc đã được khảo sát kỹ và đưa ra được các chỉ tiêu để sử dụng trong nghiệp vụ dự báo. G.B. Brulop, S.B. Gasina, G.K. Sulacvelize [13] trên cơ sở các kết quả khảo sát các dạng cấu trúc PHVT của mây đối lưu mạnh bằng ra đa thời tiết đã xây dựng được các chỉ tiêu phát hiện mưa đá theo độ phản hồi cực đại, độ cao đỉnh mây và hình dạng đám mây. Những chỉ tiêu này đã đưa vào sử dụng có kết quả trong hoạt động nghiệp vụ ở hơn 100 trạm ra đa thời tiết trên toàn lãnh thổ Liên Xô cũ, đặc biệt là trong công tác phá mưa đá bảo vệ mùa màng ở vùng núi phía Tây Nam nước Nga (vùng Capcazơ). Hiện nay các chỉ tiêu nhận biết này đã được đưa vào chương trình cảnh báo của các ra đa thế hệ mới với phần mền MERKOM [12] sử dụng không chỉ trong lãnh thổ Nga mà còn ở Peru, Bolivia, Phần lan... Mỹ là nơi hiện tượng lốc xoáy có kèm theo vòi rồng xảy ra mạnh, đặc biệt là ở các Bang miền Trung và miền Nam nên hiện tượng này được nghiên cứu nhiều. Với điều kiện kỹ thuật và kinh tế thuận lợi, Mỹ cũng là nơi nghiên cứu kỹ bản chất của các hiện tượng tố, lốc, mưa đá với nhiều tác giả có tên tuổi. Theo Galway [18] việc nghiên cứu để giảm nhẹ thiên tai do các hiện tượng này gây ra đã được bắt đầu từ những năm 30 của thể kỷ trước và vẫn tiếp tục đến bây giờ. Trong việc khảo sát và nghiên cứu tố lốc người ta thường sử dụng thang độ để ước lượng sức gió gián tiếp. Fujita [20] đã đưa ra hệ thống thang độ ước lượng tốc độ gió trong cơn lốc theo mức độ tàn phá của nó gồm : F0 (ít nguy hiểm): 18-32 m/s F1(nguy hiểm): 33 -49 m/s F2 (khá nguy hiểm) : 50-69 m/s F3 (rất nguy hiểm) : 70-92 m/s F4 (tàn phá): 93-116 m/s F5 ( tàn phá khủngkhiếp): 117-142 m/s 4 Theo Grazulic, những nỗ lực trong việc nghiên cứu và tìm tòi các phương pháp cảnh báo để giảm bớt các tai hoạ do các HTTTNHCB đã mang lại hiệu quả đáng kể ở Mỹ. Những năm đầu của thể kỷ trước hàng năm có khoảng 200 người chết do các hiện tượng này gây nên nhưng đến 1974 con số này đã giảm nhiều mặc dù số lượng hiện tượng được thông báo là nhiều hơn và mật độ dân số cũng tăng cao hơn. Doswel, C.A.[21] đã nghiên cứu lũ quét do mưa lớn cục bộ gây nên. Báo cáo về nghiên cứu này được trình bày tại hội thảo của Mỹ và Tây Ban Nha ở Barcelona năm 1994. Trong một công trình khác công bố năm 1999 ông đã coi sự xuất hiện mây đối lưu đám siêu lớn (Super cell) là nguyên nhân của mưa lớn cục bộ gây lũ quét. Phil Alford trong công trình công bố năm 1995 đã tổng hợp các công trình nghiên cứu về các hiện tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu phát triển mạnh của các tác giả trước đó. Trong công trình này tác giả đã mô tả rất kỹ các phương pháp nhận biết tình thế có khả năng xảy ra các hiện tượng nguy hiểm cỡ Mezo - scale trên cơ sở các số liệu thám không nhiệt gió, số liệu ra đa kể cả ra đa Doppler. Đây là công trình có giá trị sử dụng lớn vì ngoài việc mô tả và phân tích về lý thuyết tác giả còn đưa ra phương pháp tính toán để dự báo khả năng xuất hiện. Dessens, C.A và J.T. Snow đã mô tả lốc ở Pháp và lốc ở Mỹ, đưa ra được một số đặc điểm địa phương rất bổ ích cho việc nghiên cứu tính địa phương của hiện tượng này. Stumpf, Mitchell và các cộng sự đã đưa ra tập hình ảnh mẫu về PHVT của lốc xoáy (Tornado) để sử dụng trong công tác nghiệp vụ phát hiện và theo dõi hiện tượng này bằng ra đa thời tiết ở phòng thí nghiệm quốc gia về HTTTNHCB (NSSL Tornado detection). Các HTTTNHCB có thể xảy ra trong một đám riêng biệt (single cell) mà cũng có thể xảy ra trong tập hợp nhiều đám (muticellular). 1.1.1. Mây đối lưu mạnh. Mây đối lưu mạnh thường xuất hiện ở vào các tháng mùa hè và mùa chuyển tiếp khi điều kiện nhiệt động lực khí quyển thuận lợi cho đối lưu khí quyển phát triển. Kích cỡ đám mây có thể khác nhau. Chúng có thể xuất hiện độc lập cũng có thể xuất hiện dưới dạng quần thể nhiều đám phụ thuộc vào điều kiện hoàn lưu. Trường hợp đám mây phát triển đạt đến kích thước rất lớn (đám siêu lớn - Supercell) sẽ gây ra nhiều hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm như gió mạnh, sấm chớp, mưa đá... Hình 1.1. mô tả sự phát triển của một đám mây đối lưu: Hình phía trên mô phỏng các giai đoạn phát triển của đám đối lưu không mạnh trong điều kiện độ chuyển dịch thẳng đứng của gió nhỏ. Độ PHVT lớn và dòng giáng với mưa đổ xuống nhanh trong môi trường có dòng thăng đang tồn tại. Hình phía dưới mô phỏng sự phát triển của PHVT của một đám mây đối lưu độc lập mạnh. Lưu ý rằng trong trường hợp này PHVT mây xuất hiện cao hơn so với đám đối lưu không mạnh (hình phía trên). PHVT có cường độ mạnh từ trên cao phát triển nhanh xuống phía dưới làm cho hiện tượng nguy hiểm xuất hiện đột ngột, có thể là mưa mạnh, mưa đá nhưng thường xảy ra nhất là dòng giáng mạnh. 5 Hình 1.1. Các giai đoạn phát triển của đám mây đối lưu Hình 1.2 là ảnh mây đám siêu lớn. Các đám siêu lớn có khi tồn tại đến vài giờ và trên một vùng lớn đến hàng chục cây số. Độ cao đám siêu lớn ở vùng nhiệt đới có thể đạt đến độ cao đối lưu hạn hoặc lớn hơn. Một số trường hợp đỉnh mây có thể “xuyên thủng” đối lưu hạn gây nên những hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm. Trong mây đối lưu dạng đám siêu lớn, nguy hiểm nhất là dòng giáng (Microburst) mạnh. Khi chạm đất dòng này tỏa ra và tạo nên tố. Hiện tượng này thường gây nguy hiểm cho hoạt động của hàng không. Hình 1.3a, 1.3b và 1.3c mô tả Microburst trong một đám mây Cb. Các dòng ra (Out flow) xuất phát từ tâm và tỏa ra ở phía dưới mây. Hình 1.2. Đám mây đối lưu siêu lớn (http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/svr/type/spr/home.rxml) 6 Hình 1.3a. Cơ chế gây Microburst trong mây đối lưu mạnh Hình 1.3b. Hiện tượng Microburst trong mây Cb, rất nguy hiểm cho hoạt động của máy bay Hình1.3c. Hình ảnh Microburst trong mây đối lưu phát triển mạnh Ra đa Doppler có thể nhận biết hiện tượng Microburst theo trường gió. Hướng gió ở các phía khác nhau của tâm đám mây thể hiện trên hình 1.4. Gió từ tâm tỏa ra mọi hướng. Trường gió này thể hiện trên mặt cắt xiên gió (PPI V) với hai đới gió Doppler khác biệt nhau về hướng: vùng xa ra đa gió sẽ có hướng thổi ra còn vùng gần ra đa hơn thì ngược lại (vị trí của ra đa ở phía dưới). Đường tốc độ gío bằng 0 (Zeroline) ở giữa phân biệt hai miền gió đối hướng. Sự di chuyển của các đám mây đối lưu được mô tả theo nhiều hệ thức toán học khác nhau nhưng nói chung hướng di chuyển của chúng có xu thế theo véc tơ gió trung bình của lớp gió từ mức gió địa chuyển đến mức 6 km. Quan hệ được mô tả bằng công thức sau [17]. U w = 1,9 + 0,65U C + 0,020U C2 (1.1) Trong đó Uw – Véc tơ gió trung bình từ mức gió địa chuyển đến 6 km. UC – Tốc độ di chuyển của đám mây. 7 Hình 1.4 a. Mặt cắt ngang hướng gió trong Microburst ( RĐ là vị trí ra đa) Hình 1.4b. Gió Doppler trong Microburst ( RĐ là vị trí ra đa) 1.1.2. Dông Dông (Thunderstorm) cũng là một hiện tượng thời tiết nguy hiểm thường xuyên xảy ra trong mây đối lưu phát triển mạnh. Dông là nhiễu động có tính chất địa phương gây nên bởi mây vũ tích (Cb) và thường kèm theo các hiện tượng phóng điện điện tạo nên sấm, chớp. Có khi có gió giật, mưa rào cường độ lớn. Trong nhiều trường hợp có cả tố, lốc và mưa đá. Hình 1.5 là ảnh chụp hiện tượng phóng điện trong mây dông. Quan hệ giữa PHVT mây với khả năng có dông trong mây đối lưu đã được nghiên cứu nhiều. Các tác giả thường sử dụng độ cao đỉnh PHVT mây, độ PHVT hoặc tổ hợp hai đại lượng đó để làm chỉ tiêu nhận biết [11]. Một số nghiên cứu đã sử dụng kết hợp cả thông tin ra đa và thông tin thám không vô tuyến như độ cao tầng nhiệt độ 00C, độ cao tầng nhiệt độ-220C...để thiết lập chỉ tiêu tổng hợp nhận biết dông. Hình 1.5. Hiện tượng phóng điện trong mây dông 8 1.1.3. Mưa lớn cục bộ Mưa lớn cục bộ (Rainstorm) là hiện tượng mưa rào với cường độ mạnh xảy ra từ các đám mây dông. Khái niệm này dùng để phân biệt với mưa đá và mưa của hệ thống mây đối lưu cỡ lớn như xoáy thuận nhiệt đới, hội tụ gió trong hoàn lưu cỡ Synop ( thường kéo dài nhiều ngày và xảy ra trên diện rộng). Mưa lớn cục bộ có thể gây ra lũ quét (trong những điều kiện địa hình và chế độ thuỷ văn thuận lợi), sạt lở đất ở miền núi... và cũng được coi là hiện tượng nguy hiểm phải cảnh báo. Ở các thành phố lớn nơi số lượng người tham gia giao thông rất nhiều, các trận mưa lớn cũng cần được cảnh báo trước để có thể điều thêm phương tiện giải tỏa đường phố trước khi mưa xảy ra đề phòng hiện tượng bất ngờ phải vội vã tránh mưa, dễ gây tai nạn hoặc ùn tắc giao thông. Mưa lớn xảy ra trong thời gian ngắn là đặc điểm của mưa từ mây đối lưu. Cường độ mưa tính theo độ phản hồi vô tuyến (PHVT) nhưng với hệ số A và b khác nhau. Theo Batan [17], Doviak Zrníe [22] thì khi ước lượng cường độ mưa rào theo độ PHVT từ mây đối lưu nên sử dụng công thức: Z = 300R 1, 4 (1.2) Trong vùng nhiệt đới Rosenfeld [19] khuyến cáo sử dụng công thức: Z = 250R 1, 2 (1.3) Nói chung quan hệ giữa độ PHVT và cường độ mưa là mối quan hệ phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Để có thể ước lượng sơ bộ cường độ mưa theo độ PHVT người ta thường sử dụng mối quan hệ định lượng theo bảng 1.2. Bảng 1.2 Quan hệ giữa cường độ mưa và độ PHVT Z (dBZ) Loại mưa Mưa phùn Mưa bụi tuyết Mưa nhẹ hoặc tuyết Mưa bình thường Mưa mạnh Mưa rất mạnh Cường độ Rải rác hoặc tuyết bông Mưa phùn mùa xuân: 1-2 mm/h Mưa phùn đậm hạt: 5 mm/h Mưa rào mùa hè: 20 mm/h Mưa trong mây dông: 100 mm/h Độ PHVT (dBZ) 0 10 25 35 45 55 1.1.4. Tố Tố (Squall) là hiện tượng gió mạnh xuất hiện đột ngột, kéo dài trong khoảng thời gian vài phút (phân biệt với gió giật có thời gian tồn tại ít hơn) [30]. Hướng gió trong tố thay đổi liên tục. Trường hợp có nhiều vùng tố sắp xếp theo một trật tự nhất định có chiều dài lớn hơn chiều rộng và di chuyển theo một hướng nhất định thì gọi là đường tố (Squall line). Đường tố là một đường ổn định gồm các đám mây đối lưu mạnh, còn được gọi là đường nhiều đám (multi- cell line). Đường tố đôi khi liên quan với hoạt động của 9 bão (Pre-cyclone Squall lines), Front hoặc các xoáy khác nhưng cũng có khi tồn tại độc lập. Thông thường đường tố độc lập xuất hiện dọc theo đường Front và có thể chứa mưa mạnh, mưa đá, gây sấm chớp, gió mạnh đổi hướng liên tục ( http://en.Wikipedia.org/wiki/Squall). Hình 1.6 mô tả cấu trúc gió trong đám mây đối lưu có tố dòng thăng ở bên phải và dòng giáng (có mưa) ở bên trái gây nên một đường phân cách gọi là đới gió giật (Gust Front) hay đường tố. Đường tố thường được kiến tạo trong môi trường khí quyển không ổn định mà trong đó không khí ở tầng thấp có thể bay lên mà không cần “trợ giúp” sau đã được kích hoạt đẩy lên (nhờ Frong) cho đến độ cao mà ở đó có thể xảy ra hiện tượng ngưng kết. Nhiệt lượng được giải phóng trong quá trình ngưng kết làm cho phần tử không khí bay lên nhẹ hơn không khí xung quanh ở cùng một độ cao, dẫn đến tốc độ phần tử khí bay lên tăng lên rất nhanh, có khi đạt đến 30 m/phút. Đường tố có thể kéo dài hàng chục km hoặc dài hơn, gây thời tiết xấu trên một khu vực rộng trong cùng một lúc. Hình 1.6. Cấu trúc gió trong trong tố Tốc độ di chuyển của đường tố có thể đạt đến 60 m/phút. Theo một kết quả nghiên cứu của Mỹ (South Dakota School of Mines and technology) thì ở vùng đồng bằng phía Bắc nước Mỹ vùng tố có gió mạnh thường xuất hiện trong môi trường khí quyển có độ đứt thẳng đứng của gió (Vertical Wind Shear) trong tầng thấp (0-3 km) ít nhất là cỡ trung bình và mức độ bất ổn định khá cao (CAPE lớn hơn 2000 J/kg). Đám mây siêu lớn được sinh ra nơi có độ dịch chuyển thẳng đứng của gió lớn ở trong một lớp dày 0-6 km hay 0-8 km với CAPE (3200 J/kg). Các đám mây đối lưu mạnh có PHVT hình cánh cung (Bow choes) xuất hiện trong điều kiện độ đứt thẳng đứng của gió trong lớp 0-3 km lớn với CAPE cỡ trung bình (2600 J/kg). Đường tố không mạnh lắm xuất hiện ở mức độ dịch chuyển thẳng đứng trung bình và với giá trị năng lượng bất ổn định (CAPE) thấp hơn. Ở Mỹ tố chỉ được thông báo khi tốc độ gió vượt quá 19 knots ( 8,2 m/s). 10 Bảng 1.3. Độ đứt thẳng đứng của gió và các chỉ số nhiệt động lực của khí quyển trong vùng gió mạnh ở đồng bằng Bắc Mỹ Độ đứt thẳng đứng của gió và các chỉ số nhiệt động lực của khí quyển Gió không Đường tố PHVT hình Siêu đám Tham số mạnh (Squall line) cánh cung (Suppercell) (Non-Severe (Bow choes) Line) CAPE 1250 2050 2600 3100 0 Điểm sương ( F ) 16 12 12 Độ đứt gió 0-3 km 15,7 17 22 19 ( m/s) Độ đứt gió 0-6 km 23,7 28 32 37 ( m/s) Cơ chế gây nên sự thay đổi liên tục của hướng gió trong đường tố là do có sự tương tác giữa các đám mây đối lưu. Trong đường tố các đám mây đối lưu thường thay đổi: đám cũ mất đi, đám mới xuất hiện. Tại cùng một thời điểm các đám mây đối lưu có thể ở trong các giai đoạn khác nhau: phát triển, trưởng thành và tan rã. Có trường hợp một đám trong số các đám gặp được điều kiện thuận lợi bộ phát thành đám rất lớn tạo nên vùng gió xoáy cục bộ. Các đám luôn trong tình trạng di chuyển theo một hướng liên quan chặt chẽ đến hướng di chuyển của đường Frong. Gió trong đường tố không ổn định về hướng và tốc độ theo không gian và thời gian. Hiện tượng có những vùng gió xoáy cục bộ rất mạnh trong đường tố là có thể lý giải được. Hình 1.7 là PHVT đường tố liên quan đến một nhiễu động mạnh quan trắc được ở Mỹ, tại Pennsylvania tháng 6 năm 2003. Đây là một đường tố mỏng bị uốn cong có dạng hình cánh cung. Hình1.7.PHVT đường tố trong một nhiễu 11 động mạnh ở Pennsylvaniatháng6 năm2003(WWWEos.ubc.ca/courses/atsc201/A201reasouces/radátormintarptutorria1/Rad...) 1.1.5. Lốc Lốc (ở Mỹ gọi là tornado) là vùng gió xoáy có kích thước nhỏ [30]. Vùng gió xoáy này được thể hiện bằng một cột không khí chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ. Tốc độ gió trong lốc rất lớn, từ 18 đến 135 m/s, không thể đo đạc trực tiếp được bằng các dụng cụ thông thường mà phải dùng thang độ F để xác định theo mức độ tàn phá. Rất nhiều trường hợp có lốc kèm theo vòi rồng (Water spouts). Khi lốc đã xảy ra, dù không có vòi rồng, các mảnh vỡ của nhà cửa, của các công trình xây dựng bị đổ nát, cây cối bị đổ gãy... là những dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của một xoáy rất mạnh đã tiếp xúc với mặt đất. Ở phạm vi địa phương lốc là loại xoáy mạnh nhất trong các xoáy của khí quyển. Kích thước lốc có thể là vài trăm mét đến hàng kilomét. Nói chung lốc xảy ra ở khắp mọi nơi trên thế giới nhưng nhiều nhất vẫn là ở Mỹ với con số 1000 cơn lốc mỗi năm, tập trung phần lớn ở các bang miền Trung và miền Nam và xảy vào tất cả các tháng trong năm. Theo G.C. Asnani [29] lốc là một hiện tượng thời tiết cực kỳ nguy hiểm. Khi có vòi rồng (một cái phễu mây thò xuống phía dưới) thì mức độ nguy hiểm của cơn lốc lại càng lớn hơn. Trước khi vòi rồng chạm đất có thể nhìn thấy những mảnh vỡ của các vật ở mặt đất bay lên cao theo chuyển động xoáy. Phễu mây chạm đến đất với một tiếng động mạnh. Trong khoảng một vài giây các mảnh vỡ bay lên. Mái nhà và các vật nặng khác kể cả người và động vật, ô tô, xe tải bắt đầu bay khỏi mặt đất. Bò kéo và ngựa tuột khỏi xe và bị thổi bay xa. Có trường hợp ô tô bị bốc khỏi đường và rơi xuống trên lùm cây. Xe lửa bị trượt khỏi đường ray. Cầu bị nhấc khỏi bờ sông, bị vặn cong hoặc xô gập lại... Quan trắc thực tế và lý thuyết cho thấy rằng lốc có thể xảy ra trong những điều kiện sau [30]: a. Lốc lớn có thể xảy ra từ đám mây đối lưu siêu lớn (Supercell cloud) hoặc từ nhiều đám với điều kiện khí tượng thuận lợi cho đối lưu mạnh: - Có nguồn ẩm dồi dào trong tầng thấp. - Khí quyển có khả năng bất ổn định lớn. - Cơ chế chuyển động thăng tạo nên hội tụ tầng dưới và phân kỳ ở tầng trên để khởi đầu và gia tăng sự giải phóng năng lượng bất ổn định. - Độ đứt thẳng đứng của gió lớn. b. Trước khi lốc được tạo thành thường có một xoáy thuận nhỏ trong đám mây siêu lớn. Một số tác giả cho rằng đó là hoàn lưu của không khí môi trường xung quanh đám mây. Có thể cả đám lớn đều quay chậm quanh trục thẳng đứng. Song một số tác giả lại cho rằng xoáy thuận nhỏ trong đám mây được tạo thành do quá trình nghiêng của trục xoáy luôn tồn tại trong đám mây đối lưu siêu lớn do có sự dịch chuyển ngang của gió giữa dòng thăng ấm phía dưới và dòng giáng lạnh ở phía trên. Đường kính của cơn lốc mạnh vào khoảng 200 m, ít khi vượt quá 1000 m. Độ dày của mây trong cơn lốc ở vùng ôn đới khoảng 7 km, không hiếm trường hợp đến 10 km. Các cơn lốc có thời gian tồn tại khoảng 3 phút với tốc độ cực đại 50 m/giây song cũng có các cơn lốc tồn tại đến 3 giờ với tốc độ gió cực đại đạt đến 100 m/giây (F4) hoặc lớn hơn. Tần suất xuất hiện các cơn lốc lớn rất nhỏ song thiệt hại do lốc loại này gây ra thì rất lớn 12 do mức độ tàn phá khủng khiếp. ở Mỹ chỉ có 5% cơn lốc thuộc loại này nhưng thiệt hại do chúng gây ra chiếm đến 70% tổng số thiệt hại do lốc gây nên. Có cơn lốc ở bang Iiinois kéo dài đến 7 giờ (ngày 26 tháng 5 năm 1917). Hình 1.8 mô tả một giản đồ của khí áp ký khi có lốc đi qua ( Ward ,1972). Hình 1. 8. Giản đồ của khí áp ký khi có cơn lốc đi qua Khi lốc đi qua khí áp giảm rất mạnh song không phải giảm đều theo thời gian mà lúc đầu có tăng khoảng 1 mb sau đó thì giảm từ ngoài vào trong tâm lốc, tạo thành một cái phễu giảm áp trên giản đồ khí áp của khí áp ký. Hiện tượng này làm cho các vật thuộc loại hộp đóng kín (rương, hòm, nhà đóng kín cửa...) bị nổ tung khi lốc đi qua. Hình 1.9. Ảnh chụp một cơn lốc 13 Gió trong cơn lốc rất mạnh. Hình 1.10 a và 1.10 b mô tả tốc độ gió trong cơn lốc theo số liệu đo được bằng phương pháp chụp ảnh. Chính vì gió mạnh nên lốc được coi là hiện tượng thời tiết nguy hiểm nhất với sức tàn phá rất lớn. Hình 1.10a. Tốc độ của các mảnh vỡ trong cơn lốc ngày 3-4 tháng 4 năm 1974 ở Xenia, Ohio quan trắc được bằng phương pháp chụp ảnh (Fujita và các cộng sự 1974) Hình 1.10b. Tốc độ gió trong cơn lốc ở Sayler Park khi nó đi qua Ohio quan trắc được bằng phương pháp chụp ảnh (Kesler,1981) Khi có vòi rồng (Waterspout) cơn lốc thể hiện thành một phễu mây và có một “ vòi” thò xuống phía dưới giống như vòi voi hút nước (hình 1.11.a, 1.11.b). Hiện tượng vòi rồng có thể nhìn thấy được bằng mắt nhưng rất hiếm. Hình 1.11a. Hình ảnh cơn lốc có vòi rồng (www. Spc.noaa.gov) Hình 1.11b. Hình ảnh cơn lốc có vòi rồng (http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/ mtr/svr/modl/line/torn.rxml) 14 Cũng có nhiều trường hợp lốc có vòi rồng xảy ra không phải trong đám siêu lớn mà trong hệ thống nhiều đám mây đối lưu (hình 1.12). Hiện tượng này rất hiếm thấy nhưng cũng đã ghi nhận được. Điều này chứng tỏ cơ chế tạo nên lốc rất phức tạp Hình 1.12. Lốcvới vòi rồng trong hệ thống nhiều đám mây đối lưu (Nonsupercell tornado(http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/svr/modi/line/torn.rxml) Phản hồi vô tuyến của cơn lốc. Ra đa thời tiết khó phát hiện được vòi rồng song đám mây đối lưu siêu lớn gây nên lốc mạnh có vòi rồng thì có thể phát hiện được. Đám siêu lớn này cũng phải ở trong một khoảng cách thích hợp thì ra đa mới có khả năng nhận ra các dấu hiệu của cơn lốc. Nếu lốc xảy ra ngay tại trạm ra đa thì hoàn lưu xoáy sẽ xuất hiện trong vùng mù nên ra đa sẽ không phát hiện được. Song nếu lốc xảy ra quá xa thì độ cao cánh sóng sẽ vượt quá hoàn lưu. Khoảng cách tối ưu là khi mà ra đa có thể bắt trúng hoàn lưu xoáy ở một vài góc cao. Khi xuất hiện các đám mây đối lưu siêu lớn độc lập phải đề phòng khả năng xảy ra vòi rồng, nhất là ở những vùng có địa hình bằng phẳng như bình nguyên, đồng cỏ hay vùng biển... Vì cơn lốc thường xảy ra trong phạm vi không gian hẹp và trong thời gian ngắn nên các phương tiện quan trắc thời tiết truyền thống rất khó phát hiện và theo dõi. Với việc sử dụng ra đa thời tiết việc quan trắc và phát hiện lốc đã có những tiến bộ hơn. Một số dấu hiệu PHVT liên quan đến sự tồn tại của cơn lốc cũng đã được xác lập và đã được đưa vào sử dụng trong nghiệp vụ của hệ thống ra đa thời tiết của nhiều nước. Theo Stout và Huff (1953) thì phản hồi vô tuyến mây đối lưu có dạng hình móc câu ( Hook echo) rất có khả năng gây ra lốc. Kết luận này về sau được bổ sung và khẳng định thêm. 1.1.6. Mưa đá Cơn mưa đá (Hail Storm) là cơn mưa có các hạt giáng thuỷ dạng rắn (băng). Những cơn mưa thuộc loại này thường xuất hiện từ các đám mây đối lưu phát triển mạnh, độ cao đỉnh mây rất cao. Rất nhiều trường hợp mưa đá xảy ra cùng với lốc hoặc tố. Mưa đá thường xuất hiện ở miền núi nơi điều kiện nhiệt động lực thuận lợi để mây đối lưu phát triển đến độ cao lớn. Hơn thế nữa khoảng cách giữa mức tan băng (Melting level) và 15 mặt đất nhỏ hơn các vùng khác ở cùng một điều kiện nên ở miền núi hiện tượng mưa đá được ghi nhận nhiều hơn ở vùng khác. Hình dạng hạt mưa đá có thể rất khác nhau song thường gặp nhất là dạng hình cầu (Hình 1.13). Cấu trúc hạt băng cũng rất khác nhau (có thể đặc và trong suốt nhưng cũng có xốp và đục hoặc gồm nhiều lớp) phụ thuộc vào điều kiện môi trường nơi hạt mưa hình thành và phát triển. Hình 1.13. Hình dạng hạt mưa đá (nguồn: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/svr/type/spr/home.rxml) Mưa đá thường xuất hiện trong mây đối lưu phát triển mạnh vì vậy trong cơn mưa này thường có cả những hiện tượng nguy hiểm khác như lốc, tố, dông mạnh. Mưa đá thường xảy ra trong ba dạng mây đối lưu như sau: - Dạng một đám (Uni- cellular storm) Trong những điều kiện nhiệt động lực và ẩm thuận lợi đám mây đối lưu có thể phát triển thành siêu đám (supercell) với dòng thăng rất mạnh, đạt đến độ cao lớn, tạo điều kiện cho hạt nước hóa băng để gây nên mưa đá và có thể có cả lốc mạnh. - Dạng nhiều đám (Multi - cellular storm) Cơn mưa đá thuộc dạng này thường gồm nhiều đám mây. Các đám khác nhau có thể chuyển động không phụ thuộc vào nhau: đám mới hình thành thường vượt lên trước, đám cũ thường phải lùi lại sau. - Dạng đường tố (squall- line storm). Đường tố có thể gồm các đám nhỏ hoặc chỉ gồm các siêu đám mà cũng có thể có sự lẫn lộn giữa các loại. Mưa đá xảy ra trong mây đối lưu phát triển mạnh song không phải tất cả các đám mây đối lưu thuộc loại này đều gây mưa đá. Vì vậy việc xác định khả năng gây mưa đá của đám mây đối lưu phải được dựa trên các tham số vật lý như độ PHVT ( tỷ lệ thuận với kích thước và mật độ hạt), độ cao đỉnh phản hồi vô tuyến mây. Hình dạng phản hồi vô tuyến cũng được coi là một đặc điểm rất quan trọng để nhận biết khả năng gây mưa đá trong đám mây. Nhiều tác giả đã xây dựng các phương pháp dự báo mưa đá theo số liệu quan trắc ra đa và số liệu quan trắc thám không của trạm gần nhất (Sulacdvelize, Kachurin, Sh. 16 Biaistavili, V.F Lapchepva... ). Ivan Holleman (1999) đã đề xuất phương pháp sử dụng hiệu độ cao lớn nhất của vùng có độ phản hồi vô tuyến bằng 45 dBZ và độ cao của tầng đẳng nhiệt 00C làm các nhân tố dự báo ). ∆H = H 45 − H o (1.4) Trong đó : H45 - độ cao lớn nhất của vùng có ĐPHVT bằng 45 dBZ H0- độ cao mức đóng băng (Frezing level) hay đẳng nhiệt 00C Phương pháp này được gọi là phương (http://www.knmi.nl/onderzk/applied/ob/en/ob_radarhail.html) pháp Waldvogel Hình 1.14. Giải thích cách chọn độ cao làm nhân tố dự báo (Hfrz - Độ cao 00C, H45- Độ cao cực đại vùng Z=45dBZ) Đồ thị xác định khả năng có mưa đá theo phương pháp Waldvogel được thể hiện trên hình 1.15. Hình 1.15. Đồ thị xác định khả năng có mưa đá theo phương pháp Waldvogel 17