Nghiên cứu khoanh vùng những khu vực phía Bắc Việt Nam cần bổ sung lắp đặt ra đa thời tiết

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 235 Nghiên cứu khoanh vùng những khu vực phía Bắc Việt Nam cần bổ sung lắp đặt ra đa thời tiết Ngô Đức Thành* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Nghiên cứu này sử dụng bản đồ độ cao địa hình số SRTM phân giải 90 m để tính toán ảnh hưởng của địa hình ở khu vực phía Bắc Việt Nam đến các sản phẩm PPI và CAPPI của ra đa tương ứng ở các góc nâng khác nhau và ở các mức độ cao khác nhau. Kết quả cho thấy vị trí dự kiến hiện tại cho trạm Sapa cần phải được đánh giá, khảo sát lại. Bên cạnh 3 vị trí ra đa đã được xác định là Việt Trì, Phù Liễn, Vinh, cần xem xét bổ sung thêm ít nhất từ 3 đến 4 ra đa nữa cho khu vực miền Bắc, cụ thể là: 1 ra đa cho khu vực phía Bắc Đông Bắc, 1 đến 2 ra đa cho khu vực phía Tây Bắc, và 1 ra đa cho khu vực Thanh Hóa giữa sông Mã và sông Chu. Từ khóa: ra đa, che khuất địa hình, CAPPI, PPI. 1. Mở đầu Trên thế giới việc đưa ra đa vào hoạt động phục vụ cho mục đích Khí tượng Thuỷ văn (KTTV) đã được bắt đầu từ sau chiến tranh thế giới thứ hai trên cơ sở cải tiến các ra đa quân sự. Từ đó đến nay, mạng lưới các trạm ra đa thời tiết của nhiều nước đã được xây dựng và ngày càng được hoàn thiện. Nhiều nước đã có mạng trạm rađa với mật độ khá dày và hoạt động rất hiệu quả như: Nhật Bản (19 ra đa Đốp- le); Hàn Quốc (18 ra đa Đốp-le); Thái Lan (14 ra đa Đốp-le); Trung Quốc (74 ra đa Đốp-le); Canađa (31 ra đa Đốp-le), Úc (58 ra đa). 29 nước ở Châu Âu cũng tham gia vào mạng lưới _______  ĐT: 01662129669. E-mail: ngoducthanh@vnu.edu.vn OPERA trong đó có khoảng 100 ra đa Đốp-le [1]. Ở Việt Nam, Cục KTTV và Biến đổi Khí hậu đang triển khai nhiệm vụ “Khảo sát và đề xuất quy hoạch lại mạng lưới khí tượng cao không và ra đa thời tiết”, nhằm triển khai thực hiện kế hoạch Quốc Gia về hiện đại hóa mạng lưới quan trắc đến năm 2020 (Quyết định 16/2007/QĐ-TTg) (Hình 1). Hiện nay một số dự án nâng cấp, di dời, lắp đặt mới các trạm ra đa đang được tiến hành như: Vinh, Việt Trì, Pleiku, Nha Trang, Quy Nhơn, Sapa. Tháng 4/2011, công tác khảo sát vị trí cho trạm ra đa Sapa đã được tiến hành, phối hợp giữa Trung tâm KTTV Quốc gia và các chuyên gia Nhật Bản. Trong việc nâng cấp, lắp đặt mới hay di dời trạm ra đa, việc khảo sát vị trí lắp đặt chiếm vai N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 236 trò hết sức quan trọng. Để lựa chọn được vị trí lắp đặt ra đa tốt, các yếu tố sau cần được xem xét [2]: 1) Các tia quét từ ra đa không bị chặn lớn bởi địa hình; 2) Không bị các vấn đề như thủ tục xin lắp đặt ra đa, hoạt động của ra đa ít ảnh hưởng đến môi trường, ít bị nhiễu bởi các nguồn sóng điện từ khác; 3) Vị trí ổn định xét trên quan điểm địa lý; 4) Vị trí có khoảng cách đủ xa với khu vực đang được xây dựng phát triển, lý tưởng là cách xa ít nhất 1 km; 5) Vị trí lắp đặt cần có diện tích phẳng đủ rộng (~ 400 m 2 ), không có cột điện hoặc các nguồn phát điện từ trong bán kính 20-50 m; 6) Thuận tiện cho việc lắp đặt, vận hành (đường giao thông, đường điện, cấp nước, …). Trong các tiêu chí trên, tiêu chí 1) che khuất địa hình luôn được quan tâm đến đầu tiên vì nó liên quan trực tiếp đến chất lượng dữ liệu và khả năng phục vụ của ra đa. Các tiêu chí khác cũng cần được xem xét và đánh giá nghiêm túc để việc lắp đặt và vận hành ra đa được đảm bảo. Tuy nhiên, trong việc lựa chọn vị trí lắp đặt một số ra đa trước đây của Việt Nam, trong một số trường hợp, tiêu chí 2) và tiêu chí 6) dường như lại là những tiêu chí quyết định, dẫn đến việc một số ra đa thực sự gặp vấn đề về che khuất địa hình, xung đột sóng thu phát và hiện đang chuẩn bị được di dời (ra đa Nha Trang, ra đa Vinh, ra đa Việt Trì). Đối với bài toán khảo sát độ che khuất địa hình đối với các tia sóng của ra đa, việc sử dụng bản đồ độ cao địa hình số DEM (Digital Elevation Map) để tính toán che khuất địa hình là phổ biến. Có thể kể đến các ví dụ của mạng lưới ra đa thời tiết châu Âu (OPERA, [1]), mạng lưới ra đa thời tiết Tây Ban Nha [2], mạng lưới ra đa thời tiết của Ý [3], mạng lưới ra đa thời tiết của Thổ Nhĩ Kỳ [4]. Tính toán được che khuất địa hình còn góp phần quan trọng trong bài toán hiệu chỉnh che khuất cánh sóng để nâng cao chất lượng định lượng mưa của ra đa [5]. Ở Việt Nam, Ngô Đức Thành và Kamimera cũng đã bước đầu tiến hành khảo sát khả năng sử dụng bản đồ địa hình số trong việc tính toán che khuất tia sóng của các ra đa thời tiết [6,7]. Kết quả cho thấy những tính toán này có những ưu điểm đáng kể so với phương pháp thực địa truyền thống về mức độ chi tiết, tính độc lập vào điều kiện thời tiết, có thể thực hiện các tính toán giả định trên diện rộng và đặc biệt là làm giảm giá thành khảo sát thực địa đi rất nhiều (giảm số điểm khảo sát, giảm phí thuê, mua, vận chuyển thiết bị đo đạc, v.v...). Trong khuôn khổ của bài báo này, khu vực Bắc của Nghệ An trở lên (được nói gọn lại là khu vực phía Bắc Việt Nam) sẽ được nghiên cứu về mức độ bị che khuất tia sóng gây ra bởi địa hình cho các vị trí ra đa hiện tại, từ đó sơ bộ khoanh vùng được các khu vực cần phải bổ sung lắp đặt ra đa thời tiết trong tương lai. N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 237 Hình 1. Mạng lưới ra đa thời tiết của Việt Nam theo quy hoạch tại QĐ16/2007/QĐ-TTg (hình tròn xám). Hình sao là các trạm đã lắp đặt, đã được chính thức khảo sát vị trí lắp đặt mới hoặc sắp được di dời đến. N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 238 2. Số liệu và phương pháp 2.1. Số liệu Bản đồ địa hình số DEM được sử dụng trong nghiên cứu này là bộ bản đồ nhận được từ Nhiệm vụ SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) do cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA cung cấp. Các ra đa gắn trên tàu vũ trụ Endeavour tháng 11 năm 2000, hoạt động trong 10 ngày đo đạc số liệu độ cao địa hình cho khoảng 80% bề mặt trái đất. Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng bộ số liệu có độ phân giải xấp xỉ 90 m, tải về từ địa chỉ: Eurasia/ Ngoài ra, số liệu mới nhất, cập nhật nhất (tính đến thời điểm tháng 4 năm 2011) về vị trí của các trạm ra đa tại Việt Nam cũng được sử dụng (Bảng 1). Các thông tin được sử dụng bao gồm: kinh độ, vĩ độ, độ cao tháp ăng ten ra đa và độ cao của nền trạm ra đa so với mực nước biển. Bảng 1. Thông tin 4 vị trí trạm ra đa phía Bắc STT Ra đa Vị trí Tình trạng 1 Sa Pa Vị trí mới được khảo sát tháng 4/2011 Dự kiến lắp đặt mới theo dự án ODA của Nhật Bản 2 Việt Trì Núi Chò, Phù Ninh, Phú Thọ Sẽ được di dời từ vị trí cũ tại Đài KTTV khu vực Việt Bắc 3 Phù Liễn Phù Liễn, Q Kiến An, Hải Phòng Radar Pháp TRS-2730, radar Nga MRL-5 4 Vinh Núi Quyết, phường Trung Đô, TP Vinh, Sẽ được di dời từ vị trí cũ tại Đài KTTV khu vực Bắc Trung Bộ 2.2. Phương pháp Các phương pháp tiếp cận trước đây cho bài toán tương tự chủ yếu dựa trên khảo sát, đo đạc thực địa. Trong nghiên cứu này, phương pháp tính toán số hóa được lựa chọn. Trong các tính toán, bán kính trung bình của Trái đất được sử dụng là 6378,137 km. Trái đất trong các tính toán không hoàn toàn là một hình cầu mà hơi dẹt theo hình elíp với bình phương độ lệch tâm là 0.00669447. Để thực hiện việc tính toán cũng như khoanh vùng bổ sung các ra đa thời tiết, một số giả thiết sẽ được sử dụng như sau: Giả thiết 1: các vị trí ra đa ở Bảng 1 sẽ được giữ cố định trong mạng lưới ra đa thời tiết trong tương lai (ít nhất là đến 2020), ngoại trừ vị trí trạm Sapa mới chỉ được khảo sát, chưa được phê duyệt chính thức nên còn khả năng thay đổi. Ra đa Việt Trì và ra đa Vinh hiện đang hoạt động nghiệp vụ ngay tại trụ sở của Đài KTTV khu vực Việt Bắc và Đài KTTV khu vực Bắc Trung Bộ, tuy nhiên các ra đa này sẽ được giả định là đang hoạt động tại vị trí mới (vị trí đã được quyết định di dời đến). Giả thiết 2: các ra đa trên mạng lưới đều sử dụng ra đa Doppler, với chức năng đo gió hoạt động nhằm theo dõi các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như dông, tố, lốc, đồng thời tạo khả năng đồng hóa sản phẩm ra đa vào mô hình số trong tương lai. Nguyên lý đo gió Doppler là dựa trên sự khác biệt về pha giữa sóng phát và sóng phản hồi. Do đó tồn tại một vận tốc cực đại giới hạn Vmax mà ra đa có thể đo được một cách chính xác. Quan hệ giữa khoảng đo cực đại Rmax của ra đa và tốc độ gió Doppler cực đại đo được Vmax được biểu diễn theo phương trình [8]:  RmaxVmax  c 8 trong đó c là vận tốc sóng điện từ trong khí quyển,  là độ dài bước sóng của ra đa (  =5 N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 239 cm đối với ra đa băng sóng C). Như vậy nếu muốn đo được giá trị lớn của Vmax thì Rmax phải nhỏ và ngược lại, nếu muốn Rmax lớn thì ra đa lại chỉ có thể đo được Vmax nhỏ. Ở đây, ta lựa chọn Rmax=120 km, do đó Vmax lớn nhất đo được sẽ là Vmax ≈15,625 m/s (lưu ý rằng tốc độ gió lớn nhất ở gần vùng trung tâm của áp thấp nhiệt đới là từ 10,8 - 17,2 m/s). Như vậy, các tính toán của ta sẽ tập trung trong vùng bán kính hiệu dụng đo gió Doppler 120 km tính từ vị trí ra đa. Giả thiết 3: Nếu tâm của búp sóng bị chắn thì coi như tia sóng bị che khuất hoàn toàn. Giả thiết này phù hợp với phương pháp khảo sát đo đạc thực địa hiện đang sử dụng. Dựa vào các giả thiết trên, phần mềm RADVIS (Radar Visibility) [6,7] đã được cải tiến để không chỉ tính toán được các che khuất trên các sản phẩm PPI (Plan Position Indicator) mà còn tính toán được cả các che khuất trên các mặt đẳng cao CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator). Các mức độ che khuất đối với các sản phẩm PPI và CAPPI của 4 vị trí ra đa hiện tại sẽ được thể hiện trên bản đồ tích hợp. 3. Kết quả Hình 2 biểu diễn mức độ che khuất địa hình đến các tia sóng ra đa ở các góc nâng PPI 0,0°, 0,5°, 1,0° và 1.5°. Các khu vực có màu khác với màu của góc nâng cánh sóng là các khu vực hoặc nằm ngoài bán kính quét 120 km, hoặc đã không bị chắn bởi địa hình (nếu có màu tương ứng với các góc nâng thấp hơn), hoặc bị chắn bởi địa hình ở góc nâng đang xem xét (nếu có màu trắng hoặc màu của các góc nâng cao hơn). Khi góc nâng càng lên cao, các tia sóng càng ít bị che khuất do đó ta thấy độ phủ màu trên hình vẽ cũng tăng theo cùng độ lớn góc nâng (Hình 3). Hình 2. Che khuất địa hình đối với các mặt nón PPI ở các góc nâng thấp (0,0°, 0,5°, 1,0°, 1.5°) cho 4 vị trí ra đa phía Bắc. Phần không bị che khuất địa hình ở mỗi góc nâng tương ứng với một màu riêng biệt. N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 240 Hình 3. Tương tự như Hình 2 nhưng với các góc nâng cao hơn (2,0°, 2,5°, 3,0°). Có thể thấy, vị trí khảo sát hiện tại cho Sapa là không thích hợp do các tia sóng bị che khuất địa hình rất nhiều ở các góc nâng khác nhau từ thấp đến cao. Việc tiến hành các nghiên cứu lựa chọn lại điểm trạm này là cần thiết. Ở các góc nâng thấp, các vị trí Việt Trì, Vinh bị che khuất nhiều. Ra đa Phù Liễn có vị trí khá tốt ngoại trừ việc bị che khuất ở phía Bắc. Khi trục ăng ten ra đa được đưa lên đến những góc nâng cao hơn (2° trở lên), các tia sóng từ các vị trí Việt Trì, Phù Liễn, Vinh hầu như không còn bị che khuất bởi địa hình. Các thông tin về che khuất địa hình ở các mặt đẳng cao CAPPI cũng cho những kết quả tương đồng với các thông tin PPI (Hình 4, 5). Số liệu phản hồi vô tuyến CAPPI rất quan trọng trong khí tượng ra đa, được sử dụng trong nhiều bài toán như tạo các hình ảnh tổ hợp, theo dõi các hình thế thời tiết quy mô lớn, ước lượng mưa, ... Vì vậy tính được che khuất địa hình đối với các mặt đẳng cao CAPPI ở các độ cao khác nhau cũng rất quan trọng. Che khuất địa hình đối với vị trí trạm Sapa là rất lớn dẫn đến số liệu CAPPI của trạm này nếu có sẽ không thể sử dụng được (ít nhất là cho tới CAPPI-3 km). Ở độ cao thấp, các sản phẩm CAPPI bị che khuất nhiều đối với cả 3 vị trí Việt Trì, Phù Liễn, Vinh. Việc tổ hợp ảnh CAPPI nếu có nên được thực hiện với các ra đa này từ độ cao 2 km trở lên. Khu vực Hà Nội được quan trắc khá tốt bởi ra đa Việt Trì và Phù Liễn. Ngoài ra, 2 vị trí ra đa Phù Liễn và Vinh đều quan trắc tốt vùng biển Đông (trong vùng bán kính hiệu dụng). N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 241 Hình 4. Che khuất địa hình đối với các mặt CAPPI ở 0,5 km (màu xanh lơ) và 1,0 km (màu xanh lá cây). Các khu vực có màu (trừ phần màu xanh trên biển) là các khu vực không bị che khuất bởi địa hình ở độ cao được cho bởi thang màu. Hình 5. Tương tự như Hình 4 nhưng với các mặt CAPPI 2,0 km và 3,0 km. N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 242 Kết hợp thông tin che khuất địa hình CAPPI, PPI từ Hình 2 đến Hình 5, một số nhận xét sơ bộ và khuyến nghị khu vực cần bổ sung ra đa được đưa ra như sau: - Khu vực phía Bắc Đông Bắc trong đó chủ yếu có Lạng Sơn, Bắc Kạn, Cao Bằng, Hà Giang chưa được phủ tốt bởi ra đa, nhất là các khu vực này nằm ngoài bán kính 120 km từ các vị trí Việt Trì, Phù Liễn. Đây là khu vực thường xuyên xảy ra dông, tố, lốc, lũ quét. Vì vậy những thông tin ra đa ở đây là rất quan trọng. Việc xem xét lắp đặt thêm ít nhất một trạm ra đa ở khu vực này là cần thiết. - Khu vực phía Tây Bắc chưa được phủ tốt bởi ra đa. Lựa chọn hiện tại ở Sapa dường như chưa thích hợp do địa hình dãy Hoàng Liên Sơn rất phức tạp, nhiều núi cao, dẫn đến việc rất khó chọn được điểm cao thích hợp để các tia sóng ít bị che khuất bởi địa hình đồng thời việc lắp đặt cũng như vận hành ra đa được thuận tiện. Khu vực này cũng quan trọng do có thượng nguồn của các con sông như sông Chảy, sông Hồng, sông Nậm Mu, sông Đà. Tính toán mưa bằng số liệu ra đa trên thượng nguồn các con sông phục vụ đắc lực cho bài toán cảnh báo lũ, tính toán dòng chảy cũng như vận hành các hồ chứa. Khu vực này do đó cần được bổ sung lắp đặt ra đa. Do dãy Hoàng Liên Sơn chia đôi khu vực nên khả năng có thể cần đến 2 ra đa bổ sung tại khu vực này, mỗi ra đa sẽ được lắp đặt quan trắc một bên sườn của dãy núi. - Khu vực Thanh Hóa, nhất là ở giữa của sông Mã và sông Chu nằm ngoài vùng bán kính 120 km của các ra đa Việt Trì, Phù Liễn, Vinh có thể xem xét để bổ sung thêm 1 ra đa nữa. 4. Kết luận Như vậy, việc tính toán ảnh hưởng của che khuất địa hình đến các sản phẩm PPI ở các góc nâng khác nhau và các sản phẩm CAPPI ở các mức độ cao khác nhau đã được thực hiện cho khu vực phía Bắc. Kết quả cho thấy vị trí dự kiến hiện tại cho trạm Sapa cần phải được đánh giá, khảo sát lại, nhất là về mặt che khuất địa hình đối với các tia quét ra đa. Để mạng lưới ra đa thời tiết ở phía Bắc có thể nắm bắt và cảnh báo được kịp thời các hiện tượng thời tiết nguy hiểm cũng như phục vụ hiệu quả một số ngành nghề lĩnh vực của xã hội, việc bổ sung thêm các ra đa ở khu vực phía Bắc Việt Nam là cần thiết. Kết quả sơ bộ ban đầu cho thấy bên cạnh 3 vị trí hiện tại là Việt Trì, Phù Liễn, Vinh, cần xem xét bổ sung thêm ít nhất khoảng 3 đến 4 điểm trạm ra đa nữa để đảm bảo phần lớn khu vực phía Bắc được ra đa quét tới chứ không bị che khuất bởi địa hình, cụ thể là: 1 trạm cho khu vực phía Bắc Đông Bắc, 1 đến 2 trạm cho khu vực phía Tây Bắc, và 1 trạm cho khu vực Thanh Hóa giữa sông Mã và sông Chu. Lời cảm ơn Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Đại học Khoa học Tự nhiên, mã số TN- 11-34. Tác giả cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Đài Khí tượng Cao không thuộc Trung tâm KTTV Quốc gia, và các đồng nghiệp tại Cục KTTV và BĐKH đã cung cấp các thông tin cập nhật nhất về mạng lưới trạm ra đa thời tiết của Việt Nam. Tài liệu tham khảo [1] A. Huuskonen, L. Delobbe, B. Urban: News on the European Weather Radar Network (OPERA). The sixth European conference on radar in meteorology and hydrology. 2010. [2] Aguado, F.: The Spanish weather radar network. 32 nd Conference on Radar Meteorology. Albuquerque, New Mexico, USA. 2005. [3] Minciardi, R., R. Sacile, F. Siccardi: Optimal Planning of a weather radar network. J. Atmos. Oceanic Technol. , 20 (2003) 1251. N.Đ. Thành / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 235-243 243 [4] Sireci, O.: Turkish State Meteorological Service Radar Network Feasibility Studies. TECO-2006 – WMO Technical Conference on Meteorological and Environmental Instruments and Methods of Observation, Geneva, Switzerland. 2006. [5] J. Bech, B. Codina, J. Lorente and D. Bebbington The Sensitivity of Single Polarization Weather Radar Beam Blockage Correction to Variability in the Vertical Refractivity Gradient. J. Atmos. Oceanic Technol. 20(2003) 845. [6] Ngô Đức Thành, Hideyuki Kamimera: Sử dụng bản đồ độ cao địa hình số trong bài toán quy hoạch mạng lưới ra đa thời tiết của Việt Nam, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 600 (2010) 34. [7] Ngô Đức Thành, Hideyuki Kamimera: Khảo sát sơ bộ vị trí lắp đặt trạm ra đa thời tiết sử dụng bản đồ độ cao địa hình số, Tuyển tập Hội thảo Khoa học Khí tượng Cao không lần thứ VII, Trang 69- 76. 2010. [8] M. I. Skolnik, Introduction to radar systems. Third Edition. Published by McGraw-Hill, New York, 2001. Determining areas of northern Vietnam for additional weather radar installation Ngo Duc Thanh Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam This study used the SRTM 90 m-resolution digital elevation map to calculate terrain influences in northern Vietnam to the PPI and CAPPI radar products at different elevation angles and at different height levels, respectively. Results showed that the predetermined radar location in Sapa is not adequate for weather observations. Besides the three fixed location radars Viet Tri, Phu Lien and Vinh, it is necessary to add three to four more radars in northern Vietnam, precisely: one radar in the North-North East region, one to two radars in the North West region, and one more radar in Thanh Hoa province, probably in between the Ma and the Chu rivers. Keywords: radar, visibility, keywords, keywords, keywords.