Tổng quan về thực trạng quan trắc, lưu trữ số liệu và hiệu quả phục vụ của ra đa thời tiết tại đà

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

ĐÀI KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KHU VỰC BẮC TRUNG BỘ

BÁO CÁO

HỘI THẢO KH 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG TRẠM RA ĐA TRS-2730, CÔNG TÁC QUAN TRẮC, LƯU TRỮ SỐ LIỆU VÀ HIỆU QUẢ PHỤC VỤ CỦA RA ĐA THỜI TIẾT TRS-2730 TẠI ĐÀI KTTV KHU VỰC BẮC TRUNG BỘ

Thuộc đề tài: nghiên cứu sử dụng số liệu ra đa để cảnh báo/ dự báo bão kèm mưa lớn, phục vụ xây dựng cấp độ rủi ro thiên tai cho khu vực

<i>Bắc Trung Bộ </i>

Mã số: TNMT.2016.05.30<i>0 </i>

NGHỆ AN, THÁNG 9 NĂM 2016

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

<small>1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA RA ĐA NÓI CHUNG VÀ RA ĐA </small>

<small>2. HIỆN TRẠNG MẠNG RA ĐA THỜI TIẾT VINH VÀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TRƯỜNG MÂY BÃO TỪ NGUỒN SỐ LIỆU MẠNG LƯỚI TRẠM RA ĐA 26 3.PHÂN TÍCH SỐ LIỆU VÀ SẢN PHẨM RA ĐA VỀ BÃO VÀ ATNĐ TRONG GIAI </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA RA ĐA NÓI CHUNG VÀ RA ĐA THỜI TIẾT NĨI RIÊNG

<i>Hồng Minh Tốn, Bùi Thị Khánh Hịa Đài Khí tượng cao không. </i>

1. Lịch sử phát triển của hệ thống ra đa

<i>1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống ra đa nói chung trên thế giới </i>

Lịch sử của ra đa bắt đầu với các thí nghiệm của Heintich Hertz trong những năm cuối thế kỷ 19 cho thấy có sự truyền phát sóng vơ tuyến của các vật bằng kim loại. Năm 1886, Nhà vật lý người Anh, James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết mơ tả sóng điện từ và lan truyền của sóng điện từ. Ơng là người đầu tiên chứng minh thỏa đáng sự tồn tại của sóng điện từ bằng cách chế tạo một thiết bị để phát và thu sóng vơ tuyến. Tuy nhiên phải đến những năm đầu thế kỷ 20 các hệ thống máy móc mới sử dụng những nguyên lý này. Năm 1904, kỹ sư lĩnh vực tần số người Đức, Christian Hülsmeyer sáng chế ra “Telemobiloskop”, thiết bị này đã phát hiện một con tàu trong sương mù dày đặc, đã đo được thời gian chạy của sóng điện từ tới mục tiêu kim loại (con tàu) và năng lượng phản xạ về, do đó có thể tính khoảng cách từ nơi phát sóng tới mục tiêu. Đây là việc thử nghiệm ra đa thực tế đầu tiên. Năm 1917, nhà phát minh Nikola Tesla đã đưa ra ý tưởng về những thiết bị giống ra đa. Nhiều hệ thống tương tự cũng đã được phát triển trong hai thập kỷ tới, trong đó cung cấp thơng tin định hướng đến các đối tượng trên phạm vi ngắn [1].

Trong suốt những năm 1920 đến 1930, Mỹ, Đức, Pháp, Liên Xô và đặc biệt là Anh đã tập trung nghiên cứu về ra đa và công nghệ này được xem là một bí mật quân sự. Tuy nhiên, mặc dù đã bỏ ra rất nhiều thời gian nghiên cứu nhưng những hệ thống ra đa tốt nhất lúc bấy giờ chỉ có thể cung cấp thông tin về phương hướng của những vật thể lớn xuất hiện trong một khoảng cách gần. Những thông số về khoảng cách và độ cao so với mặt biển vẫn chưa thể tính tốn được.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Robert Watson Watt - một nhà cố vấn khoa học trong lĩnh vực truyền thông đã được mời đến Ban chiến tranh của Anh để đánh giá về một chùm tia chết (death ray - trên lý thuyết là một chùm hạt hay một loại vũ khí điện từ). Tại đây ơng đã phát minh ra một thiết bị ra đa hoàn chỉnh, sử dụng trong quân sự và ngày 26/2/1935, phát minh này của ông được cấp bằng sáng chế.

Sự phát triển của các hệ thống có thể tạo ra các xung ngắn của năng lượng vơ tuyến là chìa khóa tối ưu cho phép các hệ thống ra đa hiện đại có thể tồn tại. Bởi thời gian xung trên các dao động, phạm vi ảnh hưởng có thể được xác định và hướng của ăng ten cho biết vị trí góc của các mục tiêu. Trong giai đoạn 1934 - 1939, tám nước phát triển độc lập gồm có Anh, Đức, Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Hà Lan, Pháp và Ý đã tự xây dựng cho mình những hệ thống ra đa riêng. Năm 1937, Sir Watson-Watt Vương quốc Anh đã phát triển hệ thống ra đa gắn trên các máy bay quân sự. Ngày 28/3/1938, hệ thống ra đa đầu tiên gắn trên máy bay đã nhận biết tín hiệu phản xạ từ tàu trên mặt biển ở khoảng cách hàng chục dặm. Năm 1940, các loại ra đa khác nhau được phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và Nhật Bản. Ngoài ra Anh chia sẻ thông tin của họ với Hoa Kỳ và bốn quốc gia thịnh vượng chung gồm Úc, Canada, New Zealand và Nam Phi, sau đó các nước này cũng phát triển các hệ thống ra đa riêng của họ.

Ngay sau khi ra đời, ra đa đã phát huy tác dụng chiến lược của nó trong trận khơng chiến tại Anh diễn ra năm 1940. Mặc dù chỉ có cự ly hoạt động trong 10 dặm (16 km) nhưng hệ thống đã có độ phân giải đủ lớn để có thể phát hiện một máy bay ném bom hay tiêm kích đang đến gần. Quan trọng hơn, hệ thống đã được sử dụng để chỉ dẫn cho các máy bay tiêm kích của Anh chống lại không quân Đức ngay từ mặt đất trong khi máy bay Đức phải "đi săn" mục tiêu trên không.

Bước đột phá thật sự chỉ xuất hiện khi một hệ thống ra đa nhận dạng hiện đại được tạo ra nhờ phát minh của sóng cực ngắn (vi ba) sử dụng trong nhà hay chính xác là từ thiết bị tạo ra sóng vi ba - magnetron. Magnetron

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

được phát minh bởi John Randall và Harry Boot vào năm 1940 tại đại học Birmingham, tuy vậy, cự ly của ra đa vẫn chưa lớn, chỉ hơn 80 km.

Hình 1: Mơ phỏng cấu trúc cơ bản của hệ thống ra đa thời kỳ những năm 1937 - 1938

Trong quá trình xảy ra chiến tranh một trong những yếu tố quyết định cho sự chiến thắng của quân đồng minh đó là hệ thống máy móc quân sự hiện đại. Một chìa khóa quan trọng về sự phát triển của lý thuyết điện từ ở Anh cho phép tạo ra các hệ thống ra đa tương đối nhỏ với độ phân giải tiệm cận mét. Đến cuối những năm chiến tranh thế giới thứ hai Anh, Đức, Hoa Kỳ, Liên Xơ và Nhật Bản đã có những hệ thống ra đa da dạng ở trên mặt đất và trên biển cũng như các hệ thống ra đa hàng không nhỏ. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, việc sử dụng ra đa đã được mở rộng đến nhiều lĩnh vực bao gồm:

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

hàng không dân dụng, hàng hải, súng ra đa của cảnh sát, khí tượng và thậm chí cả trong lĩnh vực dược học. Sự phát triển mạnh mẽ trong thời kỳ hậu chiến tranh về tất cả các lĩnh vực cũng góp phần làm cho công nghệ sản xuất ra đa ngày càng tiên tiến và hiện đại với đa chủng loại ra đa cùng các ứng dụng đi kèm của nó.

Hình 2: Mơ phỏng hệ thống ra đa năm 1940

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Hình 3: Hệ thống ra đa giai đoạn 1941-1945

<i>1.2. Lịch sử phát triển của ra đa thời tiết </i>

Khoảng 25 năm trước khi chiến tranh thế giới thứ hai xảy ra, Sir Robert Watson-Watt đã nghiên cứu về các vấn đề có liên quan đến các mục tiêu định vị bằng ra đa. Watson-Watt đã phát triển những nghiên cứu của ông để phát hiện ra các cơn dông dựa trên các loại sóng khác nhau mà họ phát ra. Đến năm 1935, ông bắt đầu điều tra nghiên cứu việc sử dụng máy bay bay qua các đám mây để thu lại sóng điện từ mà ra đa phát ra. Công việc này đã đặt nền

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

tảng cho việc thiết kế các hệ thống ra đa thời tiết hoạt động đầu tiên của thế giới [11]

Trong chiến tranh thế giới thứ hai, các nhà khai thác ra đa quân sự phát hiện thấy các nhiễu phản hồi vô tuyến do các yếu tố thời tiết như mưa, tuyết và mưa đá gây ra. Sau khi chiến tranh kết thúc, các nhà khoa học quân sự trở lại với cuộc sống, tiếp tục làm việc trong các lực lượng vũ trang, và theo đuổi cơng việc của mình trong việc nghiên cứu phản hồi vô tuyến của ra đa đối với các hiện tượng thời tiết. Tại Hoa Kỳ, David Atlas là người phát triển các hệ thống ra đa thời tiết hoạt động đâù tiên. Tại Canada, J.S. Marshall và R.H.Douglas thành lập nhóm "Nhóm Thời tiết Stormy" ở Montreal. Marshall và các sinh viên của tiến sĩ Walter Palmer nghiên cứu tìm hiểu về sự phân bố kích thước của các hạt mưa ở vĩ độ trung bình từ đó đi đến những kết luận cho mối quan hệ giữa Z-R, mối quan hệ giữ phản hồi vô tuyến ra đa với cường độ mưa ở nơi hạt nước rơi xuống mặt đất. Ở Anh tiếp tục phát triển các mơ hình phản hồi vơ tuyến ra đa và các yếu tố thời tiết như mưa của mây tầng và mây đối lưu, và các thí nghiệm đã được tiến hành cho các bước sóng khác nhau từ 1-10 cm.

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, các chính phủ trên tồn thế giới tiếp tục hỗ trợ tích cực các nghiên cứu về các hệ thống ra đa thời tiết. Các hệ thống ra đa thăm dò cấu trúc của các cơn bão đã cung cấp một công cụ vô giá cho các nhà nghiên lý vật lý khí quyển, các nhà khí tượng thủy văn. Nghiên cứu ban đầu tập trung vào sự phát triển, cấu trúc của mưa bão, phản hồi vô tuyến của mưa và các mối quan hệ giữa các hệ số phản hồi vô tuyến ra đa và cường độ mưa. Những phản hồi vô tuyến được phân tích để cho ra những nhận thức về vật lý bão và được các nhà khí tượng sử dụng rộng rãi để tăng cường công tác dự báo.

Tại Mỹ, khi chiến tranh thế giới thứ hai kết thúc, Cục thời tiết (bây giờ gọi là Trung tâm dịch vụ thời tiết quốc gia) nhận được 25 hệ thống ra đa đã được sử dụng bởi các máy bay hải quân trong chiến tranh. Những ra đa thám sát WSR, được gọi tắt là WSR-1, WSR-1A, WSR-3 và WSR-4 đã được sửa

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

đổi để sử dụng cho mục đích khí tượng và cuối cùng đã được triển khai trên toàn quốc. Ra đa thời tiết đầu tiên được lắp đặt tại Washington DC vào tháng 3 năm 1947. Ba tháng sau đó, một ra đa khác đã được lắp đặt ở Wichita, Kansas. Chưa đầy hai năm sau khi cài đặt ra đa Wichita, ra đa đã được sử dụng để giúp một máy bay hạ cánh an toàn trong một cơn dông bão mạnh (nguồn thông tin được trích dẫn từ website:

Giữa những năm 1950 và 1980, các hệ thống ra đa thời tiết đo vị trí và cường độ giáng thủy được xây dựng ở khắp mọi nơi trên thế giới. Tại Hoa Kỳ, Cục Thời tiết Hoa kỳ được thành lập vào năm 1870 với nhiệm vụ cụ thể là cung cấp các quan trắc khí tượng và đưa ra thông tin của các cơn bão phát hiện bởi ra đa WSR-1. Đây là một trong những phiên bản sửa đổi của các ra đa AN/APS-2F mà Cục Thời tiết Hoa Kỳ mua lại từ hải quân. Các hệ thống WSR-1A, WSR-3 và WSR-4 cũng là phiên bản của hệ thống ra đa này [10]. Năm 1957 hệ thống ra đa thời tiết giám sát WSR-57 ra đời là ra đa thời tiết được thiết kế đặc biệt cho mạng lưới cảnh báo quốc gia, sử dụng công nghệ của thế chiến thứ hai dựa trên các ống chân khơng, nó chỉ thu dữ liệu phản hồi vô tuyến thô và khơng có thơng tin vận tốc, hoạt động ở dải băng tần S 2.89 GHz, nó tương đương sức mạnh của 410 mã lực và tầm bắn tối đa khoảng 580 dặm (930 km). Trong những năm 1970 ra đa bắt đầu được chuẩn hóa và phát triển thành những mạng lưới lớn hơn. Sự thay đổi đáng kể tiếp theo tại Hoa Kỳ là hàng loạt các ra đa WSR-74 bắt đầu đi vào hoạt động vào năm 1974. Có hai loại là WSR-74S thay thế WSR-57, và WSR-74C sử dụng chủ yếu cho từng địa phương. Cả hai loại này đều dựa trên sự bán dẫn và được phân loại dựa vào các chỉ số chữ cái, ví dụ như băng tần S hay băng tần C. Đến những năm 1990, đã có 128 ra đa WSR-57 và WSR-74 đã được lắp đặt khắp Mỹ.

Các thiết bị đầu tiên để ghi lại các hình ảnh ra đa cũng được phát triển trong thời kỳ đó. Số lượng các góc quét được tăng lên để có được một cái nhìn ba chiều của giáng thủy, vì thế các sản phẩm CAPPI từ PPI được thực hiện. Các nghiên cứu về cấu trúc của dơng bão sau đó được các Dự án mưa đá

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Alberta ở Canada và Phịng thí nghiệm siêu bão quốc gia (NSSL) tiến hành thực hiện. Phịng thí nghiệm siêu bão quốc gia được thành lập vào năm 1964, bắt đầu thử nghiệm với các ra đa phân cực đôi và ra đa Đốp-le. Vào tháng 5 năm 1973 một cơn lốc xoáy tàn phá thành phố Union, Oklahoma, đã được một ra đa Đốp-le bước sóng 10 cm ghi lại được tồn bộ cấu trúc của cơn lốc xốy đó [9]. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra một vòng xốy quy mơ vừa trong các đám mây ở trên cao trước khi cơn lốc xoáy chạm đất, nghiên cứu này đã thuyết phục Trung tâm thời tiết Quốc gia về công dụng của ra đa Đốp-le.

Từ giữa những năm 1980 và 2000, mạng lưới ra đa thời tiết trở lên phổ biến ở các nước Bắc Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản và các nước phát triển khác, các hệ thống ra đa thông thường được thay thế bằng hệ thống ra đa Đốp-le, trong đó ngồi vị trí và cường độ có thể theo dõi các vận tốc tương đối của các hạt trong khơng khí. Tại Hoa Kỳ việc xây dựng một mạng lưới bao gồm các ra đa bước sóng 10 cm, được gọi là NEXRAD hoặc WSR-88D được lắp đặt vào năm 1988 theo những nghiên cứu của NSSL. Đến năm 1985 ra đa băng sóng S bắt đầu được lắp đặt, năm 1993 ra đa Đốp-le của Đại học MCGill được nghiên cứu lắp đặt tại Phòng Quan trắc ra đa [6]. Điều này dẫn đến một mạng lưới ra đa Đốp-le hoàn chỉnh được lắp đặt tại Canada từ năm 1998 đến năm 2004. Pháp và các nước Châu Âu khác chuyển sang sử dụng ra đa Đốp-le vào cuối những năm 1990 đến đầu những năm 2000. Trong khi đó, những tiến bộ nhanh chóng trong cơng nghệ máy tính đã dẫn đến các thuật toán để phát hiện các dấu hiệu của thời tiết nguy hiểm và rất nhiều các sản phẩm tích hợp sẵn đi kèm.

Sau năm 2000, các nghiên cứu về công nghệ phân cực đôi được đưa vào hoạt động, tăng số lượng thông tin ra đa cung cấp lên rất nhiều, sau đó được triển khai quy mô rộng lớn ở cuối thập niên này tại một số nước như Hoa Kỳ, Pháp và Canada [8].

Kể từ năm 2003, các Văn Phòng khí quyển và đại dương quốc gia của Mỹ đã tiến hành thử nghiệm đối với các ra đa công nghệ nhảy tần, mạng pha

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

thay thế các ăng ten parabol thông thường để cung cấp độ phân giải về thời gian cao hơn. Điều này sẽ rất quan trọng trong việc dự báo dông bão nguy hiểm khi hệ thống ra đa phát triển được đánh giá là tiến bộ với dữ liệu kịp thời.

Ngày nay, ra đa thời tiết đã trở thành một công cụ đắc lực trong việc dự báo thời tiết và dự báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm trên thế giới. Hệ thống ra đa đảm bảo thời gian thực và có độ chính xác cao về không gian và thời gian, đi kèm với hệ thống ra đa thời tiết là những hệ thống máy tính, phần mềm hiện đại.

Hình 4: Ra đa WSR-1 2. Lịch sử phát triển của ra đa thời tiết tại Việt Nam

Ra đa thời tiết là thiết bị quan trắc hiện đại có thể cung cấp số liệu về mây và các hiện tượng thời tiết liên quan, trên một phạm vi rộng, trong thời gian ngắn (khoảng 5-10 phút). Số liệu ra đa đặc biệt có ý nghĩa đối với những khu vực không thể triển khai lắp đặt được các phương tiện quan trắc truyền thống. Nguồn số liệu mà ra đa thời tiết mang lại rất hữu ích cho cơng tác dự báo thời tiết, đặc biệt là cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm (bão, áp thấp nhiệt đới gần bờ, mưa lớn cục bộ...). Mặc dù còn khó khăn, nhưng từ năm 1977 trạm ra đa thời tiết đầu tiên đã được lắp đặt tại thành phố Hồ Chí Minh (ra đa MRL-2), 01 ra đa thám không Meteorit để đo nhiệt, ẩm, áp, gió; đến năm 1993 có thêm 2 ra đa (MRL-5, TRS-2730) được triển khai ở Phù Liễn. Trạm ra đa Phù Liễn có 2 ra đa với 3 bước sóng3 cm; 5.6 cm, 10 cm. Vào đầu năm 1994, Trạm Việt Trì cũng được lắp đặt và đưa vào sử dụng ra đa

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

TRS-2730 trong khuôn khổ ODA Pháp giai đoạn 2, trạm Vinh cũng được lắp đặt thêm ra đa MRL-5 của Cơ quan Khí tượng Nga tặng nhân dịp kỷ niệm 100 năm ngày sinh Bác Hồ. Năm 2000, trạm ra đa Vinh có thêm ra đa TRS-2730. Ra đa MRL-5 là ra đa thời tiết chưa số hố, sử dụng cơng nghệ analog. Năm 1998, có 1 ra đa Mỹ DWRS-93C của cơng ty EEC được lắp đặt tại Tam Kỳ, ra đa sau năm 1999 liên tục bị các sự cố và hỏng hóc khơng hoạt động ổn định được. Năm 2000, trạm ra đa Nha Trang được xây dựng và đi vào hoạt động với hệ thống ra đa thế hệ mới của hãng EEC DWRS-2500C, hệ thống ra đa này hoạt động tốt đã đóng góp nhiều trong cơng tác dự báo của Đài Nam Trung Bộ nhưng vị trí của nó lại bị che khuất nhiều và gây nhiễu hệ thống viễn thông nên hiện nay không đáp ứng tốt được công tác dự báo. Vào tháng 5/2005 có thêm 1 ra đa Mỹ EEC DWRS-2500C được lắp đặt và triển khai hoạt động nghiệp tại trạm ra đa Nhà Bè-TP Hồ Chí Minh. Đây đều là các ra đa băng sóng C đã được số hóa, có nhiều sản phẩm ứng dụng.

Cho đến nay, trên lãnh thổ Việt Nam có 7 trạm với 8 ra đa trong đó có 7 ra đa số hố sử sụng băng sóng C (3 ra đa thơng dụng TRS 2730 do hãng Thomson của Pháp sản xuất và 4 ra đa doppler do hãng EEC của Mỹ sản xuất), 01 ra đa sử dụng 2 bước sóng X và S (01 ra đa ở Phù Liễn được nâng cấp, số hoá năm 2010). Trong tương lai, theo quy hoạch mạng lưới ra đa thời tiết sẽ được lắp đặt thêm 8 trạm và nâng cấp 7 trạm ra đa hiện có, nâng tổng số lên 15 trạm ra đa Đốp-le và tổ hợp ảnh ra đa sẽ đáp ứng được yêu cầu của công tác dự báo.

Trong quá trình hình thành và phát triển mạng lưới, mặc dù còn nhiều hạn chế về khả năng cung cấp, sử dụng, khai thác thông tin ra đa phục vụ dự báo, nhưng, số liệu ra đa đã từng bước góp phần quan trọng nâng cao độ chính xác của bản tin dự báo. Đặc biệt từ năm 2005 trở lại đây số liệu ra đa đã được sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn. Cơng tác phân tích số liệu ra đa ở các trạm đã được nâng cao. Số liệu ra đa đã thể hiện được ý nghĩa đặc biệt quan trọng của nó trong việc theo dõi hoạt động của các cơn bão, áp thấp nhiệt đới gần bờ và cảnh báo hiện tượng thời tiết nguy hiểm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

3. Ý nghĩa của ra đa nói chung và ra đa thời tiết nói riêng

<i>RADAR - RAdio Detecting And Ranging: </i>

<i>Ra đa là hệ thống thiết bị tìm kiếm (searching), phát hiện (detecting), xác định vị trí (ranging, bearing) và truy bám (tracking) đối tượng hay mục tiêu (object/target/aim) thơng qua việc phát-thu, và xử lý sóng điện từ. </i>

<i>3.1. Ý nghĩa của ra đa nói chung </i>

Các thông tin được cung cấp bởi ra đa bao gồm vị trí và tốc độ di chuyển của các vật thể được quan sát bởi ra đa. Do đó nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và đóng một vai trò rất quan trọng. Việc sử dụng hệ thống ra đa đầu tiên là cho mục đích quân sự: để xác định vị trí mục tiêu trên không, trên mặt đất và trên biển.

<i>Các ứng dụng cho mục đích quân sự:. </i>

Trong quân sự, ra đa có ba nhiệm vụ chính là quan trắc (cảnh giới), bắt bám mục tiêu và dẫn hướng hay điều khiển vũ khí. Ngồi ra, nó cịn được sử dụng ngày càng nhiều trên vệ tinh như là một phương tiện trinh sát, kể cả trinh sát chụp ảnh. Nó có thể sử dụng riêng rẽ hoặc với tư cách là một thành phần (phân hệ) trong hệ thống vũ khí trang bị. Khi sử dụng riêng rẽ, nó thường được gọi là đài hay trạm ra đa. Các thành phần cơ bản của ra đa gồm ăng ten, khối phát, khối thu, khối xử lý, khối điều khiển hiển thị và trạm nguồn ra đa. Trong các ra đa hiện đại, cịn có các phân hệ tác chiến điện tử (chủ yếu là bảo vệ điện tử) và xử lý tín hiệu (phát cũng như thu) dựa trên máy tính điện tử.

<i>Ra đa với bộ binh: Trong bộ binh hiện nay, ra đa nằm trên các xe cơ </i>

giới hoặc trên lưng người lính. Tuy có kích thước nhỏ bé, các ra đa bộ binh thực hiện được các nhiệm vụ quan trọng. Nhiệm vụ hàng đầu của một ra đa bộ binh là quan sát chiến trường. Một ra đa dã chiến, xách tay, có khả năng phát hiện một quân đội cách xa từ 1.5 đến 2 km hoặc một xe cơ giới cách 6 km. Một ra đa thuộc lọai này chỉ nặng 4.5kg và có thể điều kiển từ xa để người điều khiển có thể ở cách thiết bị vài trăm mét, bởi vì thiết bị ln là mục tiêu thu hút sự chú ý của kẻ địch. Các ra đa xách tay được dùng làm lính

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

gác xung quanh các căn cứ. Chúng có thể phát hiện một người cách xa 45m và xe cơ giới cách 180m. Tất nhiên, chúng còn phát hiện được cả tốc độ đi chuyển của người và xe. Những ra đa này chỉ đáp ứng với các mục tiêu di chuyển. Tín hiệu từ các vật cố định bị khử hết. Đôi khi các ra đa trinh sát còn được lắp trên các máy bay lên thẳng. Ngoài các anten trinh sát, các phần tử anten phản pháo góp phần bảo vệ quân đội chống lại pháo binh, hỏa lực súng cối và các tên lửa chiến thuật.. Chúng liên tục quan sát các vị trí hỏa lực của địch. Ngay sau khi xác định tọa độ của viên đạn đại bác, hoặc một tên lửa đang bay, chúng chuyển sang nhiệm vụ bám sát ngay. Những số liệu bám sát này được đưa tới một máy tính để vẽ sơ đồ đường bay tịan bộ của viên đạn chỉ trong vòng mấy giây và xác định tọa độ viên đạn sẽ rơi xuống. Cũng vẫn loại ra đa đó phát hiện một khẩu pháo hoặc bệ phóng của đối phương sẽ điều khiển cho hỏa lực bên ta bằng cách bám sát viên đạn đại bác hoặc tên lửa bên ta và xác định vị trí điểm lao vào. Ngồi ra cịn có các ngịi nổ ra đa đã được lắp vào các đầu đạn đại bác trong chiến tranh thế giới thứ 2. Một ngòi nổ Ra đa là một trạm ra đa thực sự, bao gồm một máy phát, một máy thu và một nguồn điện dưới dạng một pin ướt sẽ họat động khi tiếp xúc với lửa. Ngòi nổ phát ra lệnh nổ khi viên đạn lọt vào trong tầm phá họai mục tiêu. Các ngòi nổ ra đa tăng cường đáng kể hỏa lực của pháo trong việc phịng khơng, trong hải quân và trong bộ binh.

<i>Ra đa trong không quân: Ngày nay, các ra đa cảnh giới tầm xa xác định </i>

vị trí chính xác của máy bay đối phương trước khi chúng đến gần đường ranh giới phòng thủ. Khi máy bay đối phương đến gần đường ranh giới phòng thủ, ra đa cảnh giới tầm xa chuyển nhiệm vụ cho ra đa điều khiển máy bay chiến đấu, lúc này, các máy bay chiến đấu đã cất cánh. Nhìn vào màn hình ra đa để xác định chắc chắn vị trí các máy bay đối phương và bên mình, người sĩ quan ra đa hướng dẫn máy bay chiến đấu và báo cho người lái máy bay chiến đấu biết được đường bay, tốc độ và độ cao. Trong chiến tranh thế giới thứ 2, một sĩ quan hướng dẫn có thể dùng mắt quan sát trận không chiến và đủ thời gian chỉ huy các máy bay chiến đấu. Nhưng ngày nay các máy bay chiến đấu đã có

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

tốc độ siêu thanh, tình hình khơng chiến rất phức tạp và thay đổi đến mức người sĩ quan hướng dẫn không đảm đương nổi nhiệm vụ của mình nếu khơng có ra đa hỗ trợ. Một ra đa điều khiển máy bay chiến đấu có cự ly hoạt động ngắn hơn một ra đa cảnh giới tầm xa nhưng nó xác định vị trí máy bay chính xác hơn nhiều. Khi mục tiêu lọt vào phạm vi của ra đa lắp trên máy bay chiến đấu thì khoảng cách giữa máy bay chiến đấu và máy bay địch nhỏ tới mức hai xung trên màn hình chỉ báo ở mặt đất gần như hoà lẫn vào nhau. Ngay khi chùm tia của ra đa trên máy bay chiến đấu bắt được mục tiêu, máy bay có thể tiếp cận và tấn cơng mục tiêu. Cự ly và độ cao mục tiêu được thể hiện trên màn hình chỉ báo, người lái có thể tấn cơng mục tiêu mà khơng cần nhìn bằng mắt thường. Người lái chỉ chọn đúng thời điểm và nhấn nút bắn. Trong một số trường hợp, việc bắn cũng được tự động thực hiện bằng một máy tính điện tử khi đạt một số thơng số thích hợp. Người ta biết rõ rằng một máy bay chiến đấu dễ bị tiến cơng nhất từ phía sau. Đó là lý do ngưịi ta đã cố tìm cách để bảo vệ phía sau máy bay. Một ra đa cảnh giới phía đi có khả năng phát hiện máy bay đối phương đến gần phía sau được lắp thêm thành một máy ngắm tự động. Một thiết bị ra đa tiêu chuẩn khác gắn trên máy bay ném bom là ra đa qt trịn mặt phẳng. Nó ''nhìn'' được bao quát vùng đất máy bay đang bay qua. Các chùm tia của nó quét mặt đất cùng với mọi vật dưới đó. Những cánh rừng, những thửa ruộng, những dịng sơng và các cơng trình kiến trúc phản xạ các chùm tia khác nhau trên màn hình chỉ báo. Các vật bằng kim loại như đường sắt, xe cộ, cầu và các cơng trình kim loại hiện ra rõ nhất. Với một bản đồ như vậy, hoa tiêu có thể dễ dàng kiểm tra đường bay của mình và chọn mục tiêu có lợi nhất để thả bom. Một máy tính điện tử sẽ tính độ cao, tốc độ máy bay để tính tốn thời điểm thả bom. Một máy bay không người lái thường mang theo các ra đa quét tròn mặt phẳng. Các tín hiệu dội lại sẽ được một máy phát truyền về căn cứ. Ngưịi điều khiển ở xa có thể nhìn thấy trên màn hình một bản đồ về vùng đất mà máy bay không người lái đang bay qua. Từ đó có thể thu nhận những tin tức chi tiết về đối phương. Các máy bay đều phải mang theo các thiết bị '' nhận dạng bạn hay thù'', bao gồm một

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

máy thu và một máy phát. Khi máy thu nhận được một xung ra đa, liền mở máy phát ''nhận dạng bạn hay thù'' truyền lại tín hiệu để phân biệt máy bay đó với máy bay đối phương. Tín hiệu này sẽ được máy bay kia trả lời ''tôi là bạn đây''. Để ngăn ngừa đối phương sử dụng cùng tần số tín hiệu, máy phát sử dụng một mật mã. Lúc này, máy thu sẽ khơng để tín hiệu của đối phương lọt vào đồng hồ chỉ báo, người điều khiển sẽ biết chắc chắn là tiếng dội của mục tiêu là tiếng của máy bay đối phương.

<i>Ra đa trong hải quân: có nhiệm vụ liên tục quan sát tồn bộ tình hình </i>

mặt biển trong phạm vi hoạt động của nó. Anten quay của ra đa này được lắp ở vị trí cao nhất để chùm tia có thể qt hết các cột buồm và các phần trên của các tàu khác. Hải quân cũng dùng hệ thống ra đa phát hiện sớm để ngăn ngừa các tàu đối phương tiếp cận bất ngờ. Sau đó là các ra đa quan sát bầu trời. Các ra đa này bảo vệ tàu khỏi bị máy bay đối phương tấn cơng. Cũng có thêm các ra đa có nhiệm vụ điều khiển hoả lực của các khẩu đội chính, các đơn vị phịng khơng và ngư lơi. Các ra đa kết hợp với máy tính báo trước sự va chạm để giúp thuyền trưởng điều khiển tàu tránh tàu khác. Ngồi ra, cịn các ra đa hướng dẫn phóng tên lửa của các tàu mang tên lửa có điều khiển và các ra đa của máy bay trực thăng chuyên tìm kiếm và tiêu diệt tàu ngầm. Các ra đa tìm và cứu có thể xác định vị trí một thuyền cấp cứu khi tàu chìm cách xa 16km vào lúc biển động mạnh nhất...

<i>Ra đa và tên lửa: Các ra đa theo dõi liên tục đường bay của tên lửa và </i>

phát mệnh lệnh điều khiển các động cơ đẩy phụ ( hoặc hủy tên lửa) nếu đường bay của tên lửa khác đường bay mong muốn. Thông thường các tên lửa đạn đạo được ấn định sẽ lao vào các mục tiêu chiến lược. Đối với tên lửa nhỏ hơn nhằm chống máy bay hay chống tên lửa đạn đạo, mục tiêu của chúng chuyển động với tốc độ nhanh và sử dụng các kỹ thuật khôn khéo để tránh. Lúc này các ra đa phải liên tiếp theo dõi các tên lửa chống tên lửa từ khi phóng đến khi nổ. Đường bay của tên lửa này được các máy tính tính tốn, các mệnh lệnh được truyền đi nhằm hiệu chỉnh đường bay hoặc tốc độ. Các trạm ra đa phải theo dõi cho đến khi các xung của chúng trên màn hình chập

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

lại thành điểm sáng và bùng thành những điểm nhỏ li ti chứng tỏ mục tiêu đã

Một ra đa đơn lẻ dù hiện đại cũng không thể phá huỷ tên lửa đạn đạo của đối phương được trừ phi chúng kết hợp lại với nhau. Bất cứ tin tức mà một trạm ra đa nhận được cũng phải được truyền tức khắc về trung tâm để kết hợp với các máy tính và các đường thơng tin tự động. Nhờ vậy mà các ra đa ở xa hàng ngàn km vẫn hoạt động như một trạm duy nhất. Các ra đa cảnh giới cực xa sẽ phát hiện tên lửa đạn đạo đầu tiên. Nó kết hợp với máy tính xác định tức thời vị trí tên lửa, vẽ sơ đồ đường bay có khả năng xảy ra và kết hợp bản đồ xác định tên lửa này có phải là mối đe doạ khơng. Trong vịng vài giây tín hiệu sẽ được truyền qua đường thông tin tới trung tâm phòng thủ và tới trạm ra đa thu nhận. Ra đa thu nhận sẽ xác định tọa độ của tên lửa chính xác hơn và truyền dữ liệu tới ra đa nhận dạng. Ra đa nhận dạng có nhiệm vụ kiểm tra vị trí của tên lửa và xác định đầu nổ nằm giữa các vật mà tên lửa có thể phóng ra trong giai đoạn bay cuối cùng. Ba loại ra đa trên chỉ nhằm xác định tên lửa trên có đe doạ hay không, cần thiết để ra quyết định. Sau khi quyết định tiêu diệt mục tiêu, đơn vị chống tên lửa cịn có một ra đa theo dõi và một ra đa điều khiển. Hai loại ra đa này sẽ kết hợp với máy tính để tiếp tục tính tốn đường bay và điều khiển tên lửa tiêu diệt mục tiêu. Các ra đa này có thể tính tốn và theo dõi hàng trăm mục tiêu và giúp điều khiển hàng trăm tên lửa cùng một lúc. Để xác định mục tiêu sớm nhất, ngoài các ra đa cực mạnh, cịn có các ra đa cảnh giới được gắn trên các tàu quân sự thường xuyên chạy trên các vùng biển quốc tế. Các đường chạy của tàu sẽ được chọn để sao cho chúng có thể quan sát được tất cả những con đường mà tên lửa của đối phương có thể được phóng đi. Ngồi ra, các ra đa này còn được gắn trên các máy bay. Điều này có lợi thế hơn tàu biển vì nó có thể xác định mục tiêu sớm hơn và phải liên tục ở trên không trong thời gian dài. Cách thứ hai là sử dụng các ra đa xuyên chân trời. Các ra đa thơng thường sử dụng các sóng cực ngắn từ 1-100cm. Những sóng này truyền theo đường thẳng và khơng có khả năng uốn cong theo bề mặt trái đất. Do bị hạn chế trong tầm

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

nhìn xa tới đường chân trời mà các ra đa loại này thường được mang lên các máy bay bay rất cao, nhờ vậy đường chân trời càng tăng lên. Nhưng nhược điểm của nó là phản xạ khơng tốt bằng sóng ngắn, thiết bị ra đa cồng kềnh, khó sử dụng và quan trọng là xác định mục tiêu kém chính xác. Tuy nhiên, các cột lửa bốc cao lên khi phóng tên lửa đạn đạo phản xạ các sóng dài rất tốt, giúp máy thu có khả năng ghi lại tốt tín hiệu dội. Trong tương lai có thể xác định vị trí phóng tên lửa ở bất kỳ nơi nào trên trái đất. Để tiêu diệt tên lửa đạn đạo, các tên lửa chống tên lửa đều mang theo các ra đa nhỏ. Các ra đa này liên tục phát ra tín hiệu và điều khiển tên lửa lao vào mục tiêu. Một số tên lửa chỉ mang máy thu ra đa, tín hiệu dội soi mục tiêu sẽ do ra đa dưới mặt đất đảm nhận. Với sự sắp xếp chun mơn hóa này, tên lửa chống tên lửa sẽ mang thiết bị đơn giản hơn, chuyển động nhanh hơn và độ chính xác của nó tăng lên rất nhiều.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành cơ-điện tử, vật liệu mới, tự động hóa, cơng nghệ nano… ra đa ngày nay cũng đã được đổi mới và phát triển đa dạng với nhiều dải sóng khác nhau. Ra đa cũng được thiết kế và triển khai cả ở trong các ứng dụng dân dụng.

<i>Trong ngành hàng không, máy bay được trang bị các thiết bị ra đa </i>

nhằm cảnh báo cho máy bay hoặc có những vật cản trong đường bay của máy bay, hoặc hiển thị thông tin thời tiết, và cung cấp chính xác độ cao máy bay đang bay cách mặt đất là bao nhiêu. Các thiết bị thương mại đầu tiên được trang bị cho máy bay là một đơn vị 1938 Bell Lab trên một số máy bay của Hàng Không Mỹ. Máy bay này có thể hạ cánh trong sương mù tại sân bay, máy bay này có trang bị hệ thống tiếp cận mặt đất hỗ trợ điều khiển bằng ra đa, trong đó chuyến bay của máy bay được quan sát trên màn hình ra đa trong khi hoạt động vô tuyến hướng dẫn hạ cánh cho phi công [5]. Một hệ thống ra đa trên mặt đất hướng dẫn và hạ cánh máy bay điều khiển từ xa đã được phát triển vào năm 1960. Hệ thống ra đa hoạt động tại các sân bay gồm hệ thống ra đa giám sát thứ cấp và hệ thống ra đa giám sát sơ cấp. Thiết bị ra đa giám sát

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

thứ cấp hàng không cung cấp cho nhân viên khai thác kỹ thuật mặt đất hoặc các kiểm sốt viên khơng lưu thơng tin về nhận dạng, vị trí tàu bay (theo cự ly, phương vị), thông tin về độ cao theo khí áp, số hiệu chuyến bay, véc tơ vận tốc, hướng di chuyển và một số thông tin khác hoạt động dựa trên nguyên lý kết hợp giữa máy hỏi (bộ phát hỏi) trên mặt đất và máy trả lời (bộ phát đáp) đặt trên tàu bay hoặc các phương tiện di chuyển trên mặt đất. Ra đa giám sát sơ cấp là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý ra đa phát xạ năng lượng sóng điện từ chiếu xạ vào mục tiêu, sau đó thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu để xác định vị trí của mục tiêu theo cự ly và góc phương vị. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, với sự ra đời của công nghệ hàng không mới, các sân bay lớn trên thế giới hiện đang tiến hành áp dụng việc sử dụng hệ thống ra đa nhằm xác định vị trí của các vật thể bay nhỏ, qua đó xác định sự nguy hiểm đối với máy bay. Nếu thành cơng, phương pháp trên có thể loại bỏ nguy cơ tai nạn do chim bay trước khi máy bay cất cánh. Một trong những nghiên cứu lâu đời liên quan đến việc ngăn chặn tai nạn do chim bằng việc sử dụng ra đa cảnh báo đã được GS. Yossi Leshem, thuộc Đại học Tel Aviv khởi xướng. Điểm mạnh lớn nhất của hệ thống trên nằm ở khả năng xác định được cụ thể vị trí của các cá thể chim đơn lẻ, với trọng lượng nhỏ tới 10g trong vịng bán kính 12km. Ngồi ra, có thể xác định được vị trí khơng cụ thể của các lồi chim với các kích thước khác nhau trong vịng bán kính lên tới 90km. Thơng qua những dữ liệu thu thập được từ thói quen của các loài chim di cư, các máy bay sẽ có khả năng cao hơn trong việc tránh va chạm với các loài chim trên. Dựa trên nghiên cứu của GS. Leshem, lực lượng không quân đã áp dụng việc theo dõi chim bằng ra đa bằng cách đưa vào phát triển hệ thống ra đa dựa trên thiết kế của ra đa X-band, vốn được sử dụng bởi lực lượng hải quân trên nhiều nước và có bước sóng gần như hồn hảo trong việc xác địch vị trí các lồi chim.

<i>Ra đa hàng hải : Các hoạt động trên biển cũng sử dụng ra đa rất nhiều. </i>

Ra đa hàng hải là thiết bị sử dụng sóng vơ tuyến để phát hiện chướng ngại vật, giúp ngư dân nhận dạng được hướng di chuyển của các mục tiêu xung

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

quanh mình và điều chỉnh hướng đi phù hợp. Ngoài ra, ra đa hàng hải gắn trên tàu cá cịn có thể ứng dụng trong nghề đánh bắt bằng lưới rê của bà con ngư dân. Với tầm quét lên đến 32-72 hải lý, ra đa có thể phát hiện và hiển thị các phao giữ lưới trên màn hình, giúp ngư dân dễ dàng phát hiện tàu lạ và theo dõi, quản lý các vàng lưới của tàu mình, hạn chế tình trạng lưới bị mất hoặc bị đứt do va chạm với tàu khác.[12] Hầu hết các ra đa biển được sử dụng để đo lường vận tốc và khoảng cách của tàu để tránh va chạm với các tàu khác, để điều hướng, và để xác định vị trí của họ trên biển nằm trong phạm vi cách bờ bao nhiêu hoặc tham chiếu đến vị trí cố định khác như hải đảo, phao, và các tàu có đèn pha. Trong cảng hoặc bến cảng, hệ thống ra đa giao thông được sử dụng để giám sát và điều động tàu di chuyển trong vùng biển đang có nhiều

<i>tàu qua lại để tránh va chạm, gây tắc nghẽn giao thông trên biển. </i>

<i>Trong lĩnh vực viễn thám: ra đa có thể được sử dụng để quan sát thời </i>

tiết hoặc quan sát vị trí hành tinh và giám sát băng biển để đảm bảo tránh va chạm băng cho tàu. Các nhà địa chất sử dụng ra đa đặc biệt để đo xâm nhập mặn của nươc biển, thành lập các bản đồ về thành phần của lớp vỏ Trái Đất.

<i>Kiểm soát điều phối giao thơng trên mặt đất: ra đa cũng có thể được sử </i>

dụng bởi cảnh sát giao thông để xác định tốc độ của chiếc xe, kiểm soát sự chuyển động của xe bằng cách đưa ra cảnh báo về sự hiện diện của các loại xe khác hoặc bất cứ trở ngại nào khác đằng sau họ. Các hệ thống ra đa nhỏ hơn được sử dụng để phát hiện chuyển động của con người.

<i>Trong lĩnh vực vũ trụ khơng gian: </i>

• Hướng dẫn các phương tiện trong không gian hạ cánh an tồn trên mặt trăng • Quan trắc hệ thống các hành tinh

• Để phát hiện và theo dõi quỹ đạo các vệ tinh • Theo dõi các thiên thạch

<i>Trong ngành khí tượng: Ngành khí tượng thủy văn sử dụng ra đa định </i>

vị để theo dõi các máy thám không vô tuyến thả theo bóng pilot, nhận các thơng tin đo đạc các yếu tố khí tượng trên cao, sử dụng ra đa thời tiết để theo dõi, phát hiện và thu về các sóng phản hồi từ các vùng xảy ra các hiện tượng

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

thời tiết kèm theo mây và giáng thủy như dơng, bão, mưa, mưa đá ...Phân tích các sóng này ta có thể biết được nhiều thông tin quý giá về các hiện tượng thời tiết đó, sử dụng cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, dự báo, phịng chống thiên tai, ...

<i>3.2. Ý nghĩa của ra đa thời tiết </i>

Trong nửa thế kỷ qua, số lượng ra đa thời tiết đã tăng đáng kể và đóng vai trò ngày càng quan trọng mà đặc biệt là các ứng dụng khí tượng và khí hậu. Điều quan trọng là khả năng của chúng trong việc phát hiện và cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như mưa đá, lốc xốy, gió lớn và mưa lớn, bão, áp thấp nhiệt đới.... Ra đa thời tiết là một trong những thiết bị quan trắc quan trọng, có khả năng cung cấp thông tin liên tục về các hiện tượng thời tiết có quy mơ từ vài km đến vài trăm km với độ phân giải cao phục vụ cho công tác dự báo dông, mưa lớn và theo dõi bão gần bờ, đặc biệt là các hiện tượng áp thấp nhiệt đới. Hiện nay, ra đa thời tiết cải thiện an tồn hàng khơng và tăng hiệu quả hoạt động của tồn bộ ngành cơng nghiệp vận tải hàng khơng, và đóng góp đáng kể vào công tác cảnh báo nông nghiệp và cảnh báo lũ thông qua hệ thống ra đa giám sát cường độ mưa. Ra đa cũng được sử dụng thường xuyên cho việc lập kế hoạch giải trí và các hoạt động thời tiết ảnh hưởng khác. Sử dụng ra đa để theo dõi, giám sát các hiện tượng thời tiết nguy hiểm giúp nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về khí quyển và để dự báo thời tiết tốt hơn cả về mặt không gian và thời gian. Để có thể làm được như vậy cần phải có một sự kết hợp liên tục của phần cứng ra đa, xử lý tín hiệu, các thuật tốn thời tiết được cải tiến để tự động hiển thị và cho ra sản phẩm có độ chính xác cao.

Trong những năm gần đây, đã có thêm những cải tiến trong dự báo hạn ngắn và dự báo cực ngắn cũng là kết quả của sự phát triển các hệ thống quan sát tích hợp dữ liệu từ ra đa thời tiết và các công cụ khác để tạo ra một bức tranh hoàn chỉnh hơn về điều kiện khí quyển. Hai ví dụ về hệ thống dự báo cực ngắn được đánh giá cao trên thế giới là AWIPS II (Advanced Weather Interactive Processing System) và ITWS (Integrated Terminal Weather

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

System) . AWIPS như là một mạng lưới phức hợp bao gồm các hệ thống thu thập và tích hợp dữ liệu khí tượng, thủy văn, vệ tinh, và các dữ liệu ra đa; hệ thống cũng xử lý và phân phối dữ liệu đến 135 Văn phòng Dự báo thời tiết (WFOs) và Trung tâm Dự báo sông (RFC) trên toàn nước Mỹ. Dự báo thời tiết sử dụng các ứng dụng của AWIPS để đưa ra dự báo thời tiết, nước, và khí hậu chính xác, và có độ tin cậy cao. ITWS kết hợp dữ liệu từ một số hệ thống ra đa thời tiết, bao gồm cả NEXRAD, ra đa Đốp-le (TDWR), và hệ thống ra đa giám sát sân bay (ASR), với dữ liệu định vị sét và dữ liệu đo từ các trạm thời tiết tự động để tạo ra các sản phẩm hiển thị thời tiết hiện tại, cũng như dự báo cực ngắn thời tiết trong khoảng một giờ cho các phòng kiểm sốt khơng lưu trong việc quản lý hoạt động của nhà ga sân bay [13]

Sự phát triển của ra đa thời tiết tại Hoa Kỳ đã được đánh dấu bởi sự phát triển và đưa vào hoạt động nghiệp vụ của rất nhiều chủng loại ra đa thời tiết, bao gồm cả CPS-9, WSR-57, và WSR-88D (NEXRAD). CPS-9 (ra đa băng sóng X bước sóng 3 cm) là ra đa đầu tiên được thiết kế đặc biệt để sử dụng cho mục đích khí tượng và đã được đưa vào phục vụ trong Dịch vụ Thời tiết Không quân Hoa Kỳ vào năm 1954. WSR-57 là hệ thống ra đa thời tiết đầu tiên hoạt động của Trung tâm dịch vụ thời tiết quốc gia. WSR-57 có băng sóng S bước sóng 10 cm, được lựa chọn để giảm thiểu những tác động không mong muốn của suy giảm tín hiệu do mưa thực nghiệm đối với ra đa CPS-9 bước sóng 3 cm. Sự phát triển của WSR-88D là để đáp ứng nhu cầu về thông tin thời tiết tốt hơn và kết quả của những tiến bộ trong xử lý tín hiệu và hiển thị kỹ thuật Đốp-le, dẫn đến những cải tiến lớn trong khả năng đo gió, phát hiện lốc xốy, theo dõi các cơn bão và ước tính lượng mưa.

Những kỹ thuật và công nghệ ra đa tiến bộ chủ yếu là những cải tiến trong các mạch tích hợp, lý thuyết xử lý tín hiệu kỹ thuật số, hệ thống hiển thị, và những tiến bộ này dẫn đến hệ thống ra đa nghiên cứu thời tiết ngày một tiên tiến hơn. Những nghiên cứu ra đa phục vụ khí tượng cũng đã đóng một vai trị quan trọng trong sự phát triển của ngành khí tượng thông qua việc tạo ra các kiến thức mới về bầu khí quyển, đặc biệt là liên quan đến vật lý

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

mây và mưa, sự phát triển về cấu trúc của bão áp thấp nhiệt đới, chuyển động của bão, và phát hiện các hiện tượng thời tiết nguy hiểm hay các nhiễu loạn trong khí quyển. Đó là sự kết hợp của cơng nghệ tiên tiến với kiến thức khoa học mới cho phép việc triển khai các hệ thống ra đa hiện đại, tiên tiến và đảm bảo sự hoạt động của nó như các hệ thống giám sát khác có độ chính xác cao.

Những ưu điểm của ra đa thời tiết như ước lượng được cường độ mưa tức thời, trên một khu vực rộng, thông tin đưa ra đảm bảo thời gian thực, có thể thu được thông tin ra đa trên một khu vực xa hoặc trên biển, xác định được front và mưa đối lưu, giám sát được sự di chuyển và phát triển của các mây mưa, dự báo hạn ngắn bằng phương pháp ngoại suy, dữ liệu ra đa thu được có thể đồng hóa vào các mơ hình số trị dự báo, ...; Bên cạnh những ưu điểm trên ra đa thời tiết cũng có những nhược điểm như không hiển thị được lượng mưa thực tế ở bề mặt, không lọc được những đối tượng không phải mục tiêu khí tượng, sai số do khoảng cách ảo, vận tốc ảo, ...Tuy vậy, hệ thống ra đa thời tiết đang khơng ngừng hồn thiện và cải tiến hơn để khắc phục các nhược điểm của ra đa nói chung.

Trên thế giới, việc sử dụng số liệu ra đa phục vụ cho công tác dự báo khá phổ biến, đặc biệt là dự báo cực ngắn các hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Ở Việt Nam, hệ thống dự báo cực ngắn (thời hạn nhỏ hơn 3 giờ) chưa được triển khai nên tác dụng ra đa thời tiết chưa được phát huy. Vì vậy, quy hoạch mạng lưới ra đa thời tiết là giải pháp cần thiết để dự báo kịp thời, chính xác. Tuy nhiên, các trạm ra đa thời tiết của ta hiện nay đều hoạt động đơn lẻ, không ổn định. Các trạm ra đa chất lượng không đồng đều, chủng loại không đồng nhất, không những yếu về thiết bị mà nhân lực cũng yếu. Hầu hết các cán bộ hiện đang làm chun mơn về khí tượng ra đa và các cán bộ làm công tác sửa chữa ra đa đều không được đào tạo bài bản. Công tác đào tạo thường chỉ thông qua các lớp tập huấn ngắn ngày do các chuyên gia nước ngoài giảng dạy. Điều này gây hạn chế nhiều trong vấn đề sử dụng, vận hành. Thêm vào đó, một số vị trí đặt trạm ra đa bị che khuất hoặc là nguồn gây nhiễu cho thông tin viễn thông, khả năng phục vụ rất hạn chế cả về không gian và thời

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

gian. Việc triển khai hệ thống dự báo cực ngắn sẽ giúp các địa phương chủ động ứng phó với các hiện tượng thời tiết bất thường, kịp thời mở các trạm bơm, cống thoát tránh ngập lụt gây tắc nghẽn giao thông và đảm bảo vệ sinh mơi trường. Vì vậy, mạng lưới này rất cần được khảo sát, nghiên cứu để thiết lập. Mạng lưới này cần được đảm bảo các yếu tố như: vị trí đặt; quy mơ vùng miền, mức độ, tần suất và cấp độ ảnh hưởng của thiên tai; chủng loại máy, tính năng và yếu tố quan trắc được của radar thời tiết; phân bố mật độ trạm; nhân sự vận hành…Theo quy hoạch đến năm 2020, Việt Nam có 15 trạm ra đa thời tiết. Hiện chúng ta có 7 trạm, song có ba trạm sẽ được thay mới. Như vậy thời gian tới phải mua mới 11 trạm ra đa; giai đoạn 2010-2018, có 4 trạm ra đa thời tiết mới sẽ được hình thành và lắp đặt tại Việt Trì, Pleiku, Vinh và Quy Nhơn. trang bị hệ thống điều hành, quản lý, xử lý kỹ thuật, tổ hợp ảnh radar trung tâm phục vụ dự báo khí tượng thủy văn. Đây chính là những tiền đề để phát triển hệ thống dự báo cực ngắn ở Việt Nam.

Tài liệu tham khảo

6. J.S.Marshall (Crozier, C.L.; P.I. Joe; J.W. Scott; H.N. Herscovitch; T.R. Nichols (1990). "The King City Operational Doppler Ra đa: Development, All-Season Applications and Forecasting (PDF)" (PDF). Canadian Meteorological and Oceanographic Society. Archived from the original (PDF) on 2006-10-02. Retrieved 2006-05-24

7. Oskar Blumtritt, Hartmut Petzzold and William Aspray, 1994: Tracking the history of radar.

8. Parent du Châtelet, Jacques; et al. (2005). "The PANTHERE project and the evolution of the French operational ra đa network and products: Rain

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

estimation, Doppler winds, and dual polarization" (PDF). <i>Météo-France</i>. 32nd Ra đa Conference of the AMS, Albuquerque, NM. Retrieved 2006-06-24

9. Susan Cobb (October 29, 2004). Weather radar development highlight of the National Severe Storms Laboratory first 40 years"<i>). NOAA </i>

<i>Magazine. </i>NOAA. Retrieved 2009-03-07.

10. Whiton, Roger C., et al. "History of Operational Use of Weather Ra đa by

<i>U.S. Weather Services. Part I: The Pre-NEXRAD Era"; Weather and Forecasting, vol. 13, no. 2, pp. 219–243, 19 Feb. 1998; </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

HIỆN TRẠNG MẠNG RA ĐA THỜI TIẾT VINH VÀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TRƯỜNG MÂY BÃO TỪ NGUỒN SỐ

LIỆU MẠNG LƯỚI TRẠM RA ĐA

<i>Nguyễn Viết Thắng, Bùi Hồng Trang. Đài Khí tượng cao khơng </i>

1. Hiện trạng mạng ra đa thời tiết Vinh:

1.1. Chủng loại ra đa thời tiết hiện có trên mạng lưới cao khơng:

Ra đa thơi tiết Vinh chủng loại gồm 01 TRS2730 cuả Pháp hoạt động từ tháng 5/2000; 01 MRL-5 của Nga từ 5/1992 và đang xây dựng mới ra đa JRC theo dự án ODA của Nhật từ năm 2016 đến T9/2017 bắt đầu chạy thử nghiệm. 1.2. Hoạt động của mạng lưới ra đa thời tiết.

<i>- Ra đa thời tiết MRL-5 (Nga): </i>

Lắp đặt và triển khai hoạt động từ năm 1993 ở Vinh, ra đa chưa số hoá. Đây là các ra đa thời tiết thế hệ cũ, quá trình quan trắc và xử lý số liệu thủ cơng (chỉ có các hình ảnh để xem bằng mắt, thơng tin khơng được số hóa, sản phẩm quan trắc được hiển thị và lưu giữ trên giấy) nên khó xử lý, lưu trữ và truyền phát. Việc khai thác, sử dụng thông tin từ các ra đa này khó khăn, có nhiều hạn chế. Ra đa MRL-5 ở Vinh hiện nay không hoạt động do hư hỏng nhiều bộ phận (khơng có khả năng khôi phục).

<i>- Ra đa thời tiết TRS-2730, Thomson (Pháp): </i>

Triển khai tại Vinh (2000) trong khuôn khổ dự án ODA. Quá trình quan trắc, xử lý và truyền phát thơng tin đều được tự động hố. Phần mềm sử dụng hệ điều hành Windows NT song sản phẩm rất hạn chế. Hiện nay, hãng Thomson không sản xuất loại ra đa này nữa, nên khó có thể nâng cấp hoặc thay thế linh kiện. Ra đa này hoạt động tương đối ổn định, các lần gián đoạn quan trắc gần đây đều không quá 5 ngày. Do thiết bị ra đa TRS-2730 đã xuống cấp nghiêm trọng nên các hiện tượng: mất phản hồi vô tuyến, phản hồi vô tuyến bị suy giảm ... vẫn xảy ra khá thường xuyên. Trạm ra đa Vinh bị hạn

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

chế tầm quan trắc về phía biển do xuất hiện cơng trình nhà cao tầng trong thành phố, hạn chế về cơ bản hoạt động quan trắc bão, ATNĐ, mưa lớn gây lũ, lụt v.v...

1.3. Sản phẩm Ra đa TRS-2730

Ra đa TRS-2730 có hai loại sản phẩm:

- Sản phẩm quét tròn (PPI): là bản đồ trường phản hồi vô tuyến trên mặt cắt xiên có được khi cho ra đa qt trịn (360⁰) ở bán kính, góc cao nhất định. Sản phẩm PPI cho biết phân bố trường mây trong bán kính hoạt động của ra đa. Ra đa TRS-2730 hoạt động ở các bán kính 64 km, 128 km, 192 km, 256 km, 384 km.

- Sản phẩm quét cao - xa (RHI): là bản đồ phân bố mây theo chiều thẳng đứng ở một góc hướng nhất định. Sản phẩm RHI cho biết phân bố cấu trúc thẳng đứng của những đám mây trong bán kính 128 km.

1.4. Sản phẩm Ra đa MRL-5

Sản phẩm PPI tại các góc nâng và sản phẩm cắt thẳng đứng theo các hướng tuỳ chọn. Từ sản phẩm PPI của ra đa ta cũng có thể khai thác được rất nhiều ứng dụng như:

- Sản phẩm hiển thị các hiện tượng thời tiết nguy hiểm: Mưa, Dòng giáng, Dòng giáng mạnh; Cb (Mây vũ tích); Dơng; Mưa đá; Tố

<i>- Sản phẩm phản hồi vô tuyến ở các độ cao khác nhau, bản đồ sẽ hiển thị </i>

bức tranh phân bố độ phản hồi vô tuyến cực đại của lớp độ cao lớn hơn từ 1 km đến độ cao đỉnh mây quan trắc được.

1.5 Một số vấn đề tồn tại trong việc khai thác số liệu ra đa thời tiết: - Việc khai thác số liệu ra đa thời tiết cịn gặp nhiều khó khăn, hiệu quả khai thác còn rất hạn chế ngoại trừ các đợt bão, áp thấp nhiệt đới và mưa lớn dài ngày;

- Khai thác các sản phẩm của ra đa Doppler ở Vinh phải đợi từ nguồn số liệu từ ra đa JRC mới vì cậy ln gặp nhiều khó khăn do truyền số liệu chưa đồng bộ, việc khai thác sản phẩm khơng đồng nhất, tồn diện;

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

- Các phần mềm đưa ra các sản phẩm chưa thân thiện với người dân.

<i>* Việc khai thác thông tin ra đa còn hạn chế: </i>

- Thiếu về phương tiện và công cụ khai thác thông tin ra đa;

- Phối hợp khai thác và sử dụng thông tin ra đa gặp rất nhiều khó khăn. Việc cung cấp kịp thời các thông tin cảnh báo đến người sử dụng còn nhiều bất cập;

2. <i>Một số kết quả nghiên cứu cấu trúc trường mây bão của các cơn bão đổ bộ vào Việt Nam từ nguồn số liệu ra đa</i>:

Ra đa thời tiết là công cụ quan trắc, theo dõi bão hiệu quả, đặc biệt khi bão vào gần bờ biển. Việc xác định chính xác vị trí tâm mắt bão ở thời điểm hiện tại, phục vụ công tác dự báo vị trí đổ bộ của bão ở thời điểm sau đó có ý nghĩa quan trọng cho công tác tổ chức phòng, tránh những thiệt hại do bão gây ra. Hiện nay, khoa học kỹ thuật đã có bước phát triển nhảy vọt song con người vẫn chưa thể chinh phục được sức mạnh của tự nhiên, trong đó có bão. Do đó, việc nghiên cứu, xác định cấu trúc trường mây mắt bão có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định vị trí tâm mắt bão.

Từ những năm 70 của thế kỷ trước, người ta đã xây dựng phương pháp Dvorak nhằm xác định vị trí tâm mắt bão trên ảnh mây vệ tinh. Phương pháp Dvorak là một trong những công cụ hữu dụng đặc biệt với các nhà dự báo thời tiết bởi nó giúp ta xác định tức thời vị trí tâm mắt bão và nhìn được tồn cảnh q trình diễn biến của bão. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế nhất định. Ảnh mây vệ tinh nhìn từ trên cao xuống dưới góc nghiêng nhất định, khi bão vào gần bờ trục của tâm bão bị nghiêng gây khó khăn cho việc xác định vị trí tâm mắt bão. Để khắc phục sai số trên, người ta sử dụng kết hợp các phương pháp vệ tinh và radar cùng với các phương pháp khác. Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc trường mây bão thông qua số liệu radar [1], [2], [3], đã tổng kết cấu trúc của bão nhiệt đới gồm ba phần cơ bản: mắt bão, tường mây mắt bão, dải mây xoắn (dải mưa).

Mỗi cơn bão được hình thành và phát triển ở một vùng địa lý nhất định bị tác động bởi hệ thống thời tiết nhất định, tạo cho chúng những cấu trúc đặc thù riêng. Việt Nam nằm ở phía đơng của bán bảo Đông Dương, thuộc khu

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

vực Nam Á là một trong những khu vực có tần suất bão lớn trên thế giới. Các cơn bão đổ bộ vào Việt Nam được hình thành ở hai khu vực chính đó là: Tây Bắc Thái Bình Dương (60% ÷ 65%) và trên biển Đơng (35% ÷ 40 %) [4].

Để hỗ trợ cho bài toán xây dựng phương pháp xác định tâm mắt bão. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu, tổng kết cấu trúc phân bố trường mây của các cơn bão đổ bộ vào Việt Nam.

2.1. Cấu trúc của bão trên Biển Đông

Các cơn bão hình thành trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương khi di chuyển vào Biển Đông bị tác động bởi một trong các hệ thống thời tiết như Sóng Đơng, dải hội tụ nhiệt đới, gió mùa Đơng Bắc hay gió mùa Tây Nam tạo

<i>lên cho nó một kiểu cấu trúc đặc trưng. Trong cơng trình “Sử dụng thơng tin radar thời tiết để cảnh báo mưa dông bão” [5], tác giả cho rằng cấu trúc </i>

trường mây bão ở khu vực Biển Đông gồm: - Dải mây trước bão

- Vùng mây đối lưu ngoài bão - Các dải mây xoắn

- Thành mây mắt bão - Mắt bão

- Dải mây đối lưu sau bão (đuôi bão)

Trong sáu thành phần trên, có ba thành phần thường xuất hiện: mắt bão, thành mây mắt bão, các dải mây xoắn. Theo số liệu thống kê, từ năm 1998 đến năm 2011 có 32 cơn bão đổ bộ vào Việt Nam (bảng 1). Trong bảng 1 số lượng bão có dải mây trước bão chiếm 22%, các dải mây xoắn chiếm 100%, mắt bão có dạng trịn chiếm 55,6%, dạng ellip và các dạng khác chiếm 44,4%.

<i>2.1.1. Dải mây trước bão </i>

Các đám mây đối lưu phát triển phân bố thành dải và di chuyển theo hướng di chuyển của tâm bão (trục của dải mây vng góc với hướng di

<i>chuyển của tâm bão) gọi là “Dải mây trước bão” (Hình 1). </i>

Dải mây trước bão được hình thành trên biển, phát triển và tan rã theo chu kỳ nhất định. Kích thước (chiều dài, độ rộng) của dải mây trước bão và khoảng cách đến tâm bão phụ thuộc vào cường độ bão, bão càng mạnh khoảng cách từ dải mây trước bão đến tâm bão càng lớn và ngược lại.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<i><small>Hình 1. Dải mây trước bão của cơn bão (17/9/2005, Trạm ra đa Vinh ) </small></i>

<i><small>Bảng 1: Cấu trúc của các cơn bão đổ bộ vào Việt Nam </small></i>

<small>TT Thời gian </small> _{Tên bão}

</div>