NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SỬ DỤNG CHỈ SỐ BẤT ỔN ĐỊNH TRONG VIỆC CẢNH BÁO MƯA VÀ DÔNG VÙNG ĐÀ NẴNG SỬ DỤNG CHỈ SỐ BẤT ỔN ĐỊNH TRONG VIỆC CẢNH BÁO MƯA VÀ DÔNG VÙNG ĐÀ NẴNG ThS. Đào Thị Loan, TS. Nguyễn Thị Tân Thanh Đài Khí tượng Cao không 1. Giới thiệu chung Chỉ số bất ổn định khí quyển đã được dùng tương đối hiệu quả trong việc hỗ trợ cho phương pháp synop để dự báo dông. Ngoài ra nó có thể hỗ trợ tích cực cho ra đa để cảnh báo mưa, dông một cách chính xác hơn trong bán kính hoạt động hiệu dụng của các trạm ra đa, đặc biệt có thể áp dụng cho ra đa Tam Kỳ là một trạm ra đa thời tiết r ất hiện đại, hoạt động hiệu quả ở khu vực Đà Nẵng. Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra được hệ thống chỉ tiêu bất ổn định khí quyển phù hợp để có thể cảnh báo xác suất xuất hiện mưa và dông xảy ra trong vùng Đà Nẵng. Đà Nẵng là vùng mưa tương đối nhiều. Theo số liệu mưa 24h từ tháng 4 đến tháng 12 trong 4 năm (1999-2002) của trạm Khí tượng b ề mặt Đà Nẵng thì trong 960 ngày có số liệu thì quan trắc được 439 ngày mưa, trong đó có 367 ngày là mưa nhỏ, 94 ngày mưa vừa, 33 ngày mưa to , 27 ngày mưa đặc biệt to. Mưa thường tập trung vào tháng 9 đến tháng 12, mưa lớn thường rơi vào tháng 10,11. Dông xảy ra ở khu vực Đà Nẵng tương đối hiếm. Theo số liệu obs synop 5 năm (1999-2003) của 3 trạm Khí tượng Bề mặt Đà Nẵng, Trà My, Tam Kỳ thì dông thường chỉ xả y ra từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm. Tháng 1,2,3 hầu như không có dông, còn tháng 4,11,12 thì cũng chỉ lác đác có dông. Theo thống kê số liệu obs synop từ tháng 4 đến tháng 12 giai đoạn (1999-2003) thì trong 1183 ca quan trắc chỉ có tối đa là 278 ca có dông và thường xảy ra vào chiều tối. 2. Số liệu và phương pháp tính Bộ số liệu được sử dụng trong nghiên cứu này gồm có: - Số liệu thám không vô tuyến (TKVT) ca sáng (00Z) thời kỳ (1998-2004) của trạm TKVT Đà Nẵng. - Số liệu obs synop ca 06Z, 09Z, 12Z nă m (1998-2004) của trạm Khí tượng bề mặt Đà Nẵng, trạm Khí hậu Trà My, trạm Khí hậu Tam Kỳ. - Số liệu mưa 24h của trạm Khí tượng bề mặt Đà Nẵng năm (199-2002). Thời đoạn cảnh báo: - Cảnh báo mưa xảy ra trong ngày sau khi có quan trắc thám không vô tuyến buổi sáng. Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 203 - Cảnh báo dông xảy ra trong vòng 6h, 9h, 12h sau khi có quan trắcthám không ca sáng tức thời đoạn cảnh báo là 7h- 13h, 7h-16h, 7h-19h. Phương pháp tính: Có rất nhiều chỉ số bất ổn định khí quyển đã được nghiên cứu và áp dụng cho việc dự báo dông và mưa, tuy nhiên trong nghiên cứu này sẽ sử dụng 14 chỉ số đưa vào tính toán và lựa chọn hệ thống chỉ tiêu:CAPE (J/kg), CIN (J/kg), K ( o C), LI ( o C), TOTL ( o C), CTOT, VTOT ( o C), SHOW ( o C), DCI ( o C), SI ( o C), PII ( o C/km), PW (cm), THOM ( o C), SWEAT Số liệu thám không vô tu y ến Số liệu OBS synop Phân loại dông theo các trường hợp cảnh báo Tính giá trị các loại chỉ số riêng biệt cho từng ca số liệu Xây dựng hệ thống chỉ tiêu cảnh báo dông Phân tích, lựa chọn chỉ tiêu thích hợp Phân loại mưa theo các trường hợp cảnh báo Xây dựng hệ thống chỉ tiêu cảnh báo mưa Số liệu mưa Để tìm chỉ tiêu cảnh báo dông và mưa, ta hãy tìm xác suất xảy ra dông hoặc mưa đối với mỗi giá trị khác nhau của từng chỉ số, coi xác suất xảy ra dông hoặc mưa như là một hàm của thông số dông hoặc mưa (chỉ số bất ổn định). Ví dụ: Chúng ta hãy xét chỉ số LI chẳng hạn: - Để mô tả xác suất dông như là một hàm của LI, chúng ta hãy tính phần trăm x ảy ra dông trong một tập hợp các giá trị LI gần nhau nào đó mà nằm trong độ rộng kích cỡ giá trị LI (max- min). - Sắp xếp tất cả các giá trị LI theo thự tự từ cao đến thấp hoặc từ thấp đến cao (trong đó có các trường hợp dông và không dông). - Chọn 200 trường hợp đầu tiên từ trường hợp thứ nhất đến trường hợp thứ 200 trong danh sách theo thứ tự trên, sau đó tính toán xác suất xảy ra dông cũng nh ư giá trị trung bình của chỉ số của 200 trường hợp đó. - Lặp lại thủ tục tính xác suất dông và giá trị trung bình của chỉ số đối với trường hợp giá trị LI thứ 11 đến trường hợp thứ 210 trong thứ tự sắp xếp trên. Và cứ tiếp tục làm như vậy cho đến giá trị LI cuối cùng trong danh sách đã sắp xếp theo thứ tự ở trên. Ở đây b ước trượt sẽ là 10. - Như vậy, với mỗi giá trị trung bình của LI ta sẽ có một giá trị xác suất. Nếu như ta có N trường hợp thì ta sẽ có ( 10 200 − N +1) cặp giá trị LI trung bình và xác suất. Từ số cặp giá trị này ta có thể vẽ được đồ thị hàm phân bố xác suất dông phụ thuộc Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 204 vào giá trị chỉ số, và ta có thể cảnh báo hiện tượng dông theo xác suất xảy ra nếu tính được giá trị chỉ số. Sau khi đã xây dựng được tất cả các đồ thị phân bố xác suất xuất hiện sự kiện cảnh báo theo 14 giá trị chỉ số bất ổn định khí quyển, ta có thể lựa chọn phân bố xác suất để xác định ngưỡng cảnh báo đối với một chỉ số nào đó mà thoả mãn yêu cầu sau: - Sự biến động của phân bố xác suất theo giá trị chỉ số là tương đối nhỏ, đồ thị phân bố xác suất có tính chất tương đối tuyến tính. - Xác suất cảnh báo cao nhất có thể đạt được phải cao hơn xác suất cảnh báo cao nhất của các chỉ số khác (một cách tương đối). Ví dụ cụ thể là đối với cảnh báo sự kiệ n mưa thì chỉ số nào đạt xác suất cảnh báo cao nhất là ≥ 70%. 3. Kết quả Bảng 1. Chỉ tiêu cảnh báo sự kiện mưa vùng Đà Nẵng Chỉ số Giá trị ngưỡng Xác suất có mưa (%) Xác suất mưa nhỏ (%) Xác suất mưa vừa (%) Xác suất mưa to (%) Xác suất mưa rất to (%) LI ≤ -4.4 35- 50 25- 35 5- 10 0- 5 0- 5 -4.4 < LI < -2.6 50-70 36-45 10-15 5-10 5-10 LI ( o C) LI ≥ -2.6 ( o C) ≥ 70 45-55 10-15 3-7 3-7 DCI ≥ 37 40- 50 30-35 5-10 0- 5 0- 5 28 < DCI < 37 50- 70 36-50 10-15 0- 5 0- 5 DCI ( o C) DCI ≤ 28 ≥ 70 51-55 10-15 0- 5 0- 5 K≤ 26 45-50 35-42 5-10 0- 5 0- 5 26< LI < 31 40-45 30-35 5-10 0- 5 0- 5 31≤ LI < 36 45-70 35-45 10-15 3-7 3-7 K ( o C) K ≥ 36 ≥70 40-45 15-20 5-10 5-10 42< PW <48 30-40 25-35 5-10 0-5 0-5 PW ≤ 42 hoặc 48 ≤ PW<52 40-50 30-40 5-10 0-5 0-5 52≤ PW <55 50 -70 35-50 10-15 0-5 0-5 PW (cm) PW ≥ 55 70-90 50-60 10-15 5-10 5-10 VTOT ≥ 24 30-50 20-40 3-7 0-5 0-5 22 < VTOT < 24 50 - 70 40-45 5-15 0-10 0-10 VTOT ( o C) VTOT ≤ 22 ≥ 70 40-52 10-15 3-8 3-8 SWEAT≤ 190 38-50 30-40 5-10 0-5 0-5 190 < SWEAT<230 50 - 70 40-50 10-15 0-5 0-5 SWEAT SWEAT ≥ 230 ≥ 70 35-40 15-20 5-10 5-10 Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 205 Bảng 2. Chỉ tiêu cảnh báo sự kiện dông vùng Đà Nẵng 7h -13h (00Z-06Z) 7h-16h (00Z-09Z) 7h-19h (00Z-12Z) Chỉ số Giá trị ngưỡng Xác suất (%) Giá trị ngưỡng Xác suất (%) Giá trị ngưỡng Xác suất (%) SI ≤ 34 0-10 SI ≤ 31 0-10 SI ≤ 29 0-10 SI > 34 0-20 31 < SI < 35 10-20 29 < SI ≤ 32 10-20 SI ≥ 35 20-30 32 < SI < 34.5 20-30 SI ( o C) SI ≥ 34.5 30-40 LI ≥ -4.2 0-10 LI ≥ -3 0-10 LI ≥ -2 0-10 -5.4< LI < -4.2 hoặc LI ≤ -5.8 10-20 -6< LI < -3 10-20 -3.5 ≤ LI < -2 10-20 -5.8< LI ≤ -5.4 20-25 LI ≤ -6 20-30 -5.5 ≤ LI < -3.5 20-30 -7 < LI < -5.5 30-40 LI ( o C) LI ≤ -7 40-45 SHOW≥ 1 0-10 SHOW≥ 3 0-10 1<SHOW < -0.4 10-20 1.2 <SHOW <3 10-20 SHOW ( o C) SHOW ≤ -0.4 20-25 SHOW ≤ 1.2 20-30 THOM ≤ 31 0-10 THOM ( o C) THOM >31 10-20 TOTL ≤ 43 0-10 TOTL ≤ 40.7 0-10 TOTL ≤ 40.1 0-10 43< TOTL < 44.5 10-20 40.7<TOTL≤ 43.5 10-20 40.1<TOTL≤ 41 10-20 TOTL ≥ 44.5 20-25 43.5<TOTL≤ 44.5 hoặc ≥ 45.3 20-30 41<TOTL≤ 42 20-30 44.5<TOTL< 45.3 30-35 42<TOTL< 44.5 30-40 TOTL ( o C) TOTL ≥ 44.5 40-50 DCI ≤ 36 0-10 DCI ≤ 33.5 0-10 36< DCI ≤ 39 10-20 33.5< DCI ≤ 36.2 10-20 39< DCI ≤ 40 hoặc DCI ≥ 41.5 20-30 36.2<DCI≤39.3 20-30 40<DCI< 41.5 30-35 39.3< DCI ≤ 40 hoặc DCI ≥ 41.6 30-40 DCI ( o C) 40 < DCI ≤41.6 40-50 Xem xét bảng 1 ta thấy các chỉ tiêu LI, DCI, K, PW, SWEAT, VTOT có thể là cơ sở cho phép cảnh báo có mưa với xác suất trên 70% (LI ≥-2.6( 0 C), DCI ≤ 28( 0 C), Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 206 VTOT ≤ 22, K ≥ 36( 0 C), PW ≥ 55(cm), SWEAT ≥ 230). Các chỉ tiêu cảnh báo về định lượng mưa không phù hợp vì xác suất rất nhỏ, phần lớn nhỏ hơn 20% đối với cường độ mưa vừa, mưa to và mưa rất to: đối với mưa nhỏ độ chính xác không quá 60%. Do dông xảy ra ở khu vực Đà Nẵng tương đối hiếm, phân bố dông theo các giá trị chỉ số là không tập trung, xác suất xuất hiện dông (xác suất khí hậu) ở vùng Đà Nẵng rất thấp (ở thời đoạn 00Z-12Z xác suất khí hậu là lớn nhất cũng chỉ đạt 16,8%) nên xác suất xuất hiện dông theo các giá trị chỉ số tương ứng đạt được thường rất thấp. Theo bảng 2 ta thấy, với các thời đoạn cảnh báo khác nhau: 07h-13h, 07h-16h, 07h-19h thì hệ thống chỉ tiêu cảnh báo dông cũng hoàn toàn khác nhau. Hệ thống chỉ tiêu cảnh báo dông thời đoạn 07h-13h gồ m 5 chỉ số (LI, SI, SHOW, THOM, TOTL), ở thời đoạn 07h-16h gồm 5 chỉ số ( SI, SHOW, LI, TOTL, DCI),ở thời đoạn 07h-19h gồm 4 chỉ số (LI, TOTL, SI, DCI). Xác suất cảnh báo sự kiện dông đạt cao nhất ở thời đoạn 07h-19h và giá trị này là 40-50% với TOTL ≥44.5 và 40<DCI≤41.6. 4. Kết luận Với những phương pháp tính đã được kiểm chứng và bước đầu tổng kết với 7 năm số li ệu thám không vô tuyến và số liệu khí tượng bề mặt, chúng ta có thể đưa ra một số kết luận như sau: - Phương pháp tính và lựa chọn chọn chỉ tiêu là phù hợp, chương trình được xây dựng trên cơ sở các thuật toán được diễn giải đúng, kết quả được kiểm tra so sánh, đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. - Chỉ số bất ổn định dùng khá tốt cho trường hợp cảnh báo sự kiệ n mưa. Tuy nhiên, để cảnh báo các cấp mưa, các chỉ số này cần phải nghiên cứu với chuỗi số liệu dài hơn. - Hệ thống chỉ tiêu cảnh báo mưa gồm 6 chỉ số chính: LI, DCI, PW, VTOT, K, SWEAT. Xác suất mưa cao nhất có thể đạt được trên 70%, và có thể đạt gần 90%. Tài liệu tham khảo 1. Alwin J. Haklander, Aarnout Van Delden, 2003: Thunderstorm predictors and their forecast skill for the Netherlands - Atmospheric Research 67-68 (2003) 273 - 299 2. Kerry A.Emanuel, 1994: “Atmospheric Convection”, Center for meteorology and Physical Oceanography, Massachusetts Institute of Technology. 3. Leslie R. Lemon, 2004: "Doppler Radar and Severe Convective Storms", Chương trình huấn luyệ n tại Trung tâm đào tạo của Khu vực Châu Á - Thái Bình Dương. CMRTC, 10/2004. Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 207 4. Tom Yoshida: Bài giảng về Phương pháp phân tích độ bất ổn định của khí quyển qua số liệu TKVT - Tập huấn Khí tượng Cao không và Khí tượng ra đa tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, 2004. 5. Kiều Thị Xin, 1999: “Động lực học khí quyển vĩ độ thấp”, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Nguyễn Viết Lành, 2000: “Dự báo dông nhiệt trong các tháng mùa hè ở vùng Đồng bằng Bắc B ộ”, Trường Cán bộ Khí tượng Thuỷ văn Hà Nội. Phụ lục: Công thức tính một số chỉ số bất ổn định khí quyển 1. K = (T850-T500)+ (Td 850-Tdd700) T850-T500:Gradien thẳng đứng nhiệt độ của môi trưòng trong lớp từ 850mb đến 500mb. Td850, Tdd700: Nhiệt độ điểm sương tại mực 850mb và độ hụt điểm sương tại 700mb. 2. LI = T500- Tp T500: nhiệt độ ( o C) môi trường tại mực 500mb. Tp: Nhiệt độ của mực 500mb mà một phần tử khí sẽ đạt được nếu nó trượt đoạn nhiệt khô từ mặt đất đến mực ngưng kết trượt và sau đó theo đường đoạn nhiệt ẩm đến mực 500mb. 3. SHOW = T500 – Tp500 T500: Nhiệt độ môi trường tại 500mb Tp500: nhiệt độ mực 500mb mà một phần tử khí sẽ đạt được n ếu trượt đoạn nhiệt khô từ 850mb đến mực ngưng kết của nó và sau đó theo đường đoạn nhiệt ẩm đến mực 500mb. 4. SWEAT= 12*TD850 +20* TERM2 + 2* SKT850 + SKT500+ SHEAR TD850= Điểm sương ( o C) ở 850mb TERM2=Max (Total totals Index – 49, 0) SKT850, SKT500= Tốc độ gió (knot) tại 850mb, 500mb SHEAR= 125*[ SIN (DIR500-DIR850)+0.2] DIR500, DIR850 = Hướng gió tại 500mb, 850mb Nếu Total totals Index <49 thì bỏ qua 20* TERM2 SHEAR =0 : - Nếu hướng gió tại 850mb, 500mb ở giữa130 o và 250 o - Nếu DIR500 -DIR850 >0 - Nếu SKT850, SKT500 <15 knots 5. VTOT= T850-T500 Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 208 T 850, T500= Nhiệt độ ( o C) ở mực 850mb, 500mb 6. TOTL= (Td850-T500)+(T850-T500) 7. DCI = T850 – Td850 – LIsfc T850, Td850: Nhiệt độ ( o C) ở mực 850mb, nhiệt độ điểm sương ở mực 850mb LIsfc: Chỉ số LI tính cho bề mặt đất 8. SI = TOTL- (T700-Td700)- A TOTL: Chỉ số TOTL, Nếu VT >25 thì A=0, nếu 22 ≤ VT≤ 25 thì A=2, VT<22 thì A= 6 9. THOM= K - LI50 LI50: Chỉ số LI tính cho mực cách mặt đất 50mb, K: Giá trị chỉ số K 10. PW (Pricipitation Water) ∫ = Z Azdz 0 PW Az: Độ ẩm tuyệt đối ở mực z Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 209 . NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SỬ DỤNG CHỈ SỐ BẤT ỔN ĐỊNH TRONG VIỆC CẢNH BÁO MƯA VÀ DÔNG VÙNG ĐÀ NẴNG SỬ DỤNG CHỈ SỐ BẤT ỔN ĐỊNH TRONG VIỆC CẢNH BÁO MƯA VÀ DÔNG VÙNG ĐÀ. định khí quyển đã được nghiên cứu và áp dụng cho việc dự báo dông và mưa, tuy nhiên trong nghiên cứu này sẽ sử dụng 14 chỉ số đưa vào tính toán và lựa chọn hệ thống chỉ tiêu:CAPE (J/kg), CIN (J/kg),. cầu. - Chỉ số bất ổn định dùng khá tốt cho trường hợp cảnh báo sự kiệ n mưa. Tuy nhiên, để cảnh báo các cấp mưa, các chỉ số này cần phải nghiên cứu với chuỗi số liệu dài hơn. - Hệ thống chỉ tiêu