Nhận dạng hình thế thời tiết

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






Đỗ Thị Thu Nga

NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007




ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Đỗ Thị Thu Nga





NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT


Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01




LUẬN VĂN THẠC SĨ


Ngêi híng dÉn khoa häc
Tiến sĩ Bùi Thế Duy

Hà Nội - 2007


- 2-
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG 5
MỞ ĐẦU 6
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT 10
1.1 Khái niệm về thời tiết 10
1.2 Quan trắc thời tiết 11
1.2.1 Mạng lƣới trạm khí tƣợng 11
1.2.2 Hạn quan trắc 17
1.3 Xử lý và chỉnh lý số liệu 18
1.3.1 Mã hoá và giải mã 18
1.3.2 Kiểm tra số liệu 21
1.3.3 Trao đổi và lƣu trữ số liệu 22
1.4 Các phƣơng pháp dự báo thời tiết 23

1.5 Các hình thế thời tiết 25
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP SYNOP VÀ MÔ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ 28
2.1 Phƣơng pháp synop 28
2.1.1 Bản đồ synop 29
2.1.2 Điền đồ 30
2.1.3 Phân tích bản đồ 32
2.2 Mô hình dự báo số trị 37
2.2.1 Giới thiệu mô hình MM5 38
2.2.2 Cấu trúc mô hình MM5 40
2.3 Một số giải pháp mới cho bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 45

- 3-
Chƣơng 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI
TIẾT 50
3.1 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 50
3.1.1 Đặt vấn đề 50
3.1.2 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 50
3.1.3 Giới hạn của bài toán 51
3.1.4 Đặc điểm của các hình thế thời tiết 51
3.2 Phƣơng pháp nhận dạng hình thế thời tiết 52
3.3 Hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết 57
3.3.1 Công cụ xây dựng hệ thống 57
3.3.2 Dữ liệu 57

3.3.3 Lƣợc đồ luồng dữ liệu 59
3.3.4 Giao diện hệ thống 60
3.3.5 Đặc tả các chức năng trong hệ thống 61
3.4 Đánh giá kết quả 66
KẾT LUẬN 69
PHỤ LỤC 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82



- 4-
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ điền đồ 31
Hình 2.2 Những ký hiệu về hiện tượng thời tiết và mây điền lên bản đồ. 31
Hình 2.3 Các hình thế khí áp bề mặt . 33
Hình 2.4 Mô hình hệ thống dự báo số trị MM5. 39
Hình 2.5 Cấu trúc mô hình MM5 với các mô đun. 41
Hình 2.6 Mô đun REGRID. 42
Hình 2.7 Bản đồ synop lúc 0 giờ ngày 22/1/2007. 47
Hình 3.1 Mô hình hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết 53
Hình 3.2 Lược đồ luồng dữ liệu. 60
Hình 3.3 Cửa sổ giao diện chương trình. 60
Hình 3.4 Biểu mẫu “Nhập hình thế mẫu”. 61
Hình 3.5 Biểu mẫu “Nhập dữ liệu theo ngày”. 62

Hình 3.6 Cửa sổ hiển thị “Danh sách các trạm”. 63
Hình 3.7 Cửa sổ “Hình thế thời tiết” 64
Hình 3.8 Bản đồ mô phỏng Áp cao Siberia. 67
Hình 3.9 Bản đồ mô phỏng Áp thấp Nam Á. 68



- 5-
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng “Hình thế thời tiết” 58
Bảng “Thông tin trạm” 59
Bảng “Dữ liệu trạm” 59

Bảng tóm tắt các hình thế mẫu 71
Bảng tọa độ trạm 71
Bảng dữ liệu các trạm thử nghiệm 72


- 6-
MỞ ĐẦU
Thời tiết là quá trình khí quyển được đặc trưng bởi tập hợp các yếu tố
khí tượng và sự biến thiên của chúng. Các yếu tố khí tượng liên quan mật
thiết với nhau nên khi theo dõi sự biến thiên của một số yếu tố ta có thể suy
đoán về những biến thiên có thể xảy ra của các yếu tố khác.
Thời tiết ảnh hưởng quan trọng đến mọi mặt hoạt động trong cuộc sống

của con người. Vì vậy hàng ngày chúng ta vẫn thường theo dõi diễn biến thời
tiết và xem các bản tin thời tiết trên các kênh thông tin. Chúng ta luôn mong
muốn nắm bắt được qui luật của thời tiết cũng như dự báo sớm tình hình thời
tiết để đưa ra quyết định thực thi một hoạt động nào đó. Hơn thế nữa việc dự
báo thời tiết sớm sẽ giúp con người có thể phòng chống thiên tai, giảm thiểu
tối đa thiệt hại do thời tiết xấu mang lại.
Về cơ bản, trước hết muốn dự báo thời tiết, các dự báo viên khí tượng
phải nghiên cứu diễn biến thời tiết qua những yếu tố khí tượng đã quan trắc
được một cách chi tiết. Từ những yếu tố khí tượng này họ nhận dạng được
hình thế thời tiết đang chế ngự trên địa bàn khảo sát và xác định tên của loại
hình thời tiết đó. Do hình thế thời tiết ảnh hưởng trực tiếp đến thời tiết của
vùng đang xét và ảnh hưởng rộng ra các vùng lân cận nên việc nhận dạng

hình thế thời tiết trong quá trình dự báo thời tiết rất quan trọng.
Tổ chức khí tượng thế giới có tên là WMO (World Meteorological
Organization) đã thiết lập một mạng lưới thông tin khí tượng trên toàn cầu.
Các số liệu quan trắc được từ các trạm khí tượng trong mạng lưới của của mỗi
quốc gia được gửi về trung tâm dự báo quốc gia, các trung tâm dự báo quốc
gia kết nối vào 23 trung tâm khu vực và kết nối 23 trung tâm khu vực này vào
3 trung tâm toàn cầu đóng tại các thành phố Moscow, Washington và
Melbourne [3]. Các trung tâm toàn cầu thu thập toàn bộ số liệu khí tượng trên


- 7-
thế giới gửi trở lại các trung tâm khu vực và các trung tâm quốc gia. Khi đã

có các số liệu của toàn khu vực và toàn cầu người ta thiết lập các bản đồ
synop quy mô châu lục để thực hiện các công việc tiếp theo, đó là việc nhận
dạng hình thế thời tiết. Sau khi xác định được hình thế thời tiết, dự báo viên
sẽ áp dụng các phương pháp dự báo để dự báo thời tiết.
Quy trình thu thập số liệu và dự báo thời tiết như trên có thể được chia
thành ba giai đoạn: Giai đoạn thu thập, trao đổi và lưu trữ số liệu; giai đoạn
nhận dạng hình thế thời tiết và giai đoạn dự báo thời tiết. Trong ba giai đoạn
này thì hai giai đoạn đầu có thể áp dụng máy móc và công nghệ để thay thế
con người. Nhưng đối với giai đoạn thứ ba chúng ta chưa làm như vậy được
bởi vì máy móc không thể có kinh nghiệm và tính nhạy cảm như con người
để có thể dự báo những diễn biến phức tạp tiềm ẩn của thời tiết. Chính vì vậy,
việc dự báo chính xác thời tiết vẫn luôn là bài toán khó của ngành khí tượng.

Đến nay trên thế giới người ta đã ứng dụng nhiều phương pháp dự báo
thời tiết như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp số
trị Trong các phương pháp đó thì phương pháp dự báo số trị được ứng dụng
mạnh mẽ nhờ máy tính ngày nay có khả năng tinh toán lớn. Tuy vậy liên quan
đến bài toán nhận dạng hình thế thời tiết bằng việc áp dụng công nghệ thông
tin lại chưa được quan tâm nhiều. Ở Việt Nam, Trung tâm dự báo khí tượng
thủy văn Quốc gia người ta đã sử dụng các mô hình dự báo số trị để dự báo
thời tiết. Nhưng việc chạy mô hình này mới chỉ được vận hành một cách thủ
công, nghĩa là việc đưa số liệu vào mô hình chưa được tự động hóa và các
tham số có thể bị thay đổi theo ước lượng chủ quan của người vận hành mô
hình. Việc áp dụng mô hình dự báo số trị là một bước tiến lớn của ngành dự
báo thời tiết, ưu điểm lớn nhất của mô hình này là nó mang lại kết quả dự báo

thời tiết với độ chính xác cao. Nhưng chúng ta vẫn gặp phải rất nhiều khó
khăn khi ứng dụng mô hình dự báo số trị để dự báo thời tiết bởi vì mô hình


- 8-
này dựa trên hệ phương trình thủy nhiệt động lực học hết sức phức tạp. Hệ
phương trình này bao gồm mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố khí tượng
rất nhằng nhịt mà người ta không thể tìm ra được nghiệm tổng quát của hệ
phương trình. Mô hình dự báo số trị được chạy với khối lượng dữ liệu tính
toán rất lớn và kết quả đầu ra của mô hình phụ thuộc nhiều vào độ chính xác
và đầy đủ của số liệu đầu vào. Thực tế ở Việt Nam việc thu thập số liệu quan
trắc không được tự động hoá nên việc này còn rất nhiều hạn chế. Nhiều khi

chúng ta không có được số liệu đầy đủ và chính xác do phải phụ thuộc vào
năng lực quan trắc và ý thức của con người. Mặt khác, ở Việt Nam, dữ liệu
quan trắc không được cung cấp công khai theo quy định quốc tế nên ngoài
trung tâm dự báo quốc gia thì các đơn vị khác muốn lấy được dữ liệu quan
trắc đầy đủ cần bỏ ra chi phí lớn vì vậy việc áp dụng mô hình số trị còn chưa
được ứng dụng ở nhiều nơi trong nước.
Nếu chúng ta không thể dự báo thời tiết bằng mô hình dự báo số trị vì
những khó khăn nêu trên thì chúng ta có thể sử dụng máy tính để nhận dạng
hình thế thời tiết, sau đó bằng kinh nghiệm chúng ta sẽ tiến hành dự báo thời
tiết. Do hình thế thời tiết được hình thành từ các khối khí tương đối đồng nhất
về tính chất vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, và chúng chuyển động khá trật tự
trong hoàn lưu khí quyển nên trong cùng một hình thế số liệu quan trắc khí

tượng ở các trạm gần nhau sẽ tương tự nhau, khí áp của hình thế thời tiết có
xu thế tăng dần hay giảm dần từ tâm hình thế ra ngoài. Ngoài ra các yếu tố
khí tượng có mối quan hệ khăng khít và tác động qua lại với nhau cho nên từ
một vài yếu tố khí tượng nào đó có thể suy diễn lô gíc ra những yếu tố khí
tượng khác. Chính từ những đặc điểm và tính chất trên của hình thế thời tiết
mà việc nhận dạng hình thế thời tiết hoàn toàn có thể thực hiện được khi
không có đầy đủ số liệu quan trắc khí tượng. Vì vậy chỉ cần sử dụng một vài


- 9-
yếu tố khí tượng cơ bản như khí áp, nhiệt độ, điểm sương, chúng ta có thể
nhận dạng được hình thế thời tiết.

Trong quá trình nghiên cứu khoa học về thời tiết và dự báo thời tiết, tôi
mong muốn xây dựng một công cụ nhận dạng hình thế thời tiết để hỗ trợ
giảng dạy môn dự báo khí tượng tại nơi tôi đang làm việc, đó là Trường Cao
đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Vì vậy, ý tưởng về việc ứng dụng
công nghệ thông tin để số hóa bản đồ synop [3] và nhận dạng hình thế thời
tiết đã được hình thành trong tôi. Tôi bắt đầu tìm hiểu và định hướng việc
nghiên cứu đề tài mang tên “Nhận dạng hình thế thời tiết”. Mục tiêu của đề tài
này là nghiên cứu, xây dựng một phương pháp nhận dạng hình thế thời tiết
bằng mô hình máy tính; xây dựng một hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết
nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên ngành khí tượng. Với mục tiêu đặt ra,
phạm vi nghiên cứu của đề tài này là giải quyết bài toán nhận dạng hình thế
thời tiết tương ứng với giai đoạn thứ hai của quá trình dự báo thời tiết.

Nội dung nghiên cứu trong đề tài này bao gồm: Nghiên cứu hệ thống
quan trắc, hệ thống thông tin thời tiết. Nghiên cứu các phương pháp dự báo
thời tiết. Đề xuất một phương pháp mới để nhận dạng những hình thế thời tiết
bằng mô hình máy tính. Xây dựng và cài đặt hệ thống nhận dạng thời tiết trên
máy tính. Cuối cùng là những đánh giá kết quả nghiên cứu phương pháp mới
và đề xuất phương hướng phát triển đề tài trong tương lai.
Luận văn gồm 3 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về dự báo thời tiết.
Chương 2. Phương pháp synop và mô hình dự báo số trị.
Chương 3. Xây dựng hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết.

- 10-
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT
Trong chương này phần đầu sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về
thời tiết, mạng lưới quan trắc khí tượng của Việt Nam và hệ thống trao đổi số
liệu khí tượng của tổ chức khí tượng thế giới WMO. Phần còn lại của chương
sẽ trình bày khái niệm hình thế thời tiết và các hình thế thời tiết đặc trưng ảnh
hưởng đến Việt Nam.
1.1 Khái niệm về thời tiết
Trạng thái tổng hợp của các hiện tượng vật lí xảy ra trong khí quyển
hay còn gọi là hiện tượng khí tượng như: mây, giáng thuỷ, sương mù, dông,…

và các yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, khí áp, độ ẩm,… trong một thời kì nhất
định tại một địa phương nào đó được gọi là thời tiết của địa phương trong thời
gian đó [3].
Thời tiết của một địa phương trong một thời kì xác định đặc trưng bởi
mức độ nổi trội của một vài hiện tượng hoặc yếu tố khí tượng cũng như sự
biến thiên của chúng theo thời gian. Chẳng hạn, thời tiết của tuần vừa qua ở
địa phương này có thể nói là khô và nóng vì nhìn chung nhiệt độ cao và độ
ẩm thấp chiếm ưu thế, mặc dù trong từng lúc, thời tiết có thể có mưa và mát.
Hoặc có thể nói thời tiết của một tháng nào đó ở một địa phương nào đó là
lạnh và có mưa trong nửa tháng đầu và tương đối nóng, không mưa trong nửa
tháng cuối.
Thời tiết là một tổ hợp các hiện tượng và các yếu tố khí tượng xảy ra

trong một bề dày nhất định của khí quyển. Vì vậy, nghiên cứu khí quyển
không thể chỉ nghiên cứu ở một mực hoặc từng mực riêng biệt mà phải
nghiên cứu một cách tổng hợp các độ cao khác nhau. Trong nhiều trường hợp,


- 11-
ở gần mặt đất có thể có mây thấp, sương mù,… cản trở máy bay hoạt động,
nhưng ở trên cao lại không có mây nên máy bay có thể hoạt động dễ dàng.
Theo quan điểm đó, có thể coi, ở các độ cao khác nhau, thời tiết có khác nhau.
1.2 Quan trắc thời tiết
1.2.1 Mạng lƣới trạm khí tƣợng
Để có được các thông tin dự báo thời tiết, người ta xây dựng và tổ chức

hoạt động một mạng lưới trạm quan trắc khí tượng các loại. Mỗi trạm khí
tượng đều được xác định toạ độ bằng kinh độ, vĩ độ và độ cao so với mực
nước biển trung bình. Mỗi trạm cũng có tên riêng (thường là tên địa danh nơi
lập trạm) và mã số riêng của trạm gồm 5 chữ số, trong đó 2 số đầu là mã số
vùng và 3 số sau là mã số trạm.
Mạng lƣới quan trắc bề mặt
Trên bề mặt, các trạm khí tượng được xây dựng ở đồng bằng, vùng núi,
sa mạc, băng dương, hải đảo,… tức là trên mọi miền có những đặc điểm thời
tiết khác nhau. Khoảng cách giữa các trạm khí tượng bề mặt mau hay thưa tuỳ
thuộc vào mức độ phức tạp của địa hình và do đó phụ thuộc vào mức độ
không đồng nhất của thời tiết ở các địa phương. Thông thường, ở vùng đồng
bằng, khoảng cách giữa các trạm từ 70-100 km, còn ở vùng núi chỉ từ 50-

70km hoặc gần hơn.
Tại các trạm khí tượng bề mặt người ta quan trắc khí áp, nhiệt độ không
khí, nhiệt độ các lớp đất gần bề mặt đất, độ ẩm không khí, độ bốc hơi nước,
hướng và tốc độ gió, các hiện tượng thời tiết đã qua và hiện tại (mây, mưa,
dông, sương mù, tố, lốc, bão bụi, tầm nhìn xa, …), tổng lượng mưa 6 giờ hay
12 giờ (ngày và đêm). Các trạm khí tượng bề mặt thường xuyên báo cáo ngay
kết quả quan trắc về các trung tâm theo dõi và dự báo thời tiết, được gọi là các


- 12-
trạm khí tượng synop. Các trạm khác, các số liệu quan trắc được thu thập để
nghiên cứu khí hậu, thời tiết, được gọi là các trạm khí hậu

Trạm đo mưa: Bên cạnh mạng lưới trạm khí tượng bề mặt nói trên
người ta còn lập một mạng lưới trạm và tiêu đo mưa có mật độ dày đặc hơn.
Mức độ dày đặc các trạm và tiêu đo mưa tuỳ thuộc vào nhu cầu và khả năng
thiết lập, vận hành thực tế. Khoảng cách giữa các điểm đo mưa thường vào
khoảng từ 5-10km.
Trạm tàu biển: Trên biển, ngoài các trạm đảo, người ta còn đặt các trạm
quan trắc trên các tàu viễn dương để bổ sung cho số liệu trên biển, được gọi là
trạm ship. Ngoài các hạng mục quan trắc như ở các trạm khí tượng bề mặt,
các trạm ship còn cung cấp cả hướng và tốc độ tàu lúc quan trắc. Trạm đảo và
trạm ship còn quan trắc cả hướng, độ cao và chu kì của sóng gió và sóng lừng
thuộc vùng biển quan trắc.
Trạm phao: Ở các vùng biển quan trọng, thường xuyên cần có số liệu

quan trắc, không thể chỉ dựa vào các tàu biển qua lại đó, người ta lập các trạm
quan trắc tự động, tự báo, đặt trên các phao được neo đậu cố định, đó là các
trạm phao. Nội dung quan trắc của một trạm phao cũng giống như của một
trạm đảo.
Ở các trạm khí tượng bề mặt, để có thể so sánh được khí áp và nhiệt độ
quan trắc tại trạm thường được quy về mực biển vì các đại lượng này thay đổi
theo độ cao mà mỗi trạm thường có độ cao khác nhau so với mực biển.
Mạng lƣới quan trắc trên cao
Trạm khí tượng cao không: Để có số liệu khí tượng tại các tầng khí
quyển trên cao, người ta lập ra các trạm khí tượng thám không, thường gọi là
trạm khí tượng cao không. Tại đây người ta thả những quả bóng lớn mang

- 13-
theo máy thám không tự động. Tại trạm, người ta sẽ thu được các thông tin
như: vị trí máy thám không, số liệu khí áp, nhiệt độ, độ ẩm không khí, gió,
Trạm pilot: các trạm pilot chuyên đo gió trên cao. Tại các trạm này
người ta quan sát quả bóng bay sau khi thả lên để xác định hướng và tốc độ
gió. Nhược điểm lớn của trạm này là bóng hay bị lấp ở trong mây. Để khắc
phục, người ta đeo vào bóng một miếng kim loại phản xạ sóng radar do trạm
phát ra. Nhờ sóng phản hồi, vị trí của bóng vẫn có thể được xác định ngay cả
khi có mây, những trạm như vậy gọi là trạm vô tuyến đo gió (trạm rawind).
Các trạm trên núi cao quan trắc hướng gió, tốc độ gió, khí áp, nhiệt độ
và độ ẩm không khí mực trạm. Trạm có độ cao khoảng 1500m quy số liệu về

mực 850mb, trạm có độ cao khoảng 3000m quy số liệu về mực 700mb (không
quy về mực biển).
Hệ thống những trạm khí tượng cao không, rawind, pilot lập thành
mạng lưới trạm khí tượng cao không. Khoảng cách giữa chúng thường dao
động trong khoảng từ 200-300km.
Trạm cầu bay: Để theo dõi quá trình biến tính của một khối không khí,
người ta gắn một trạm quan trắc tự động vào một khinh khí cầu thả trôi theo
gió. Theo những khoảng thời gian nhất định trạm quan trắc tự động lại thông
báo về các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, khí áp và vị trí của trạm, từ đó hướng và
tốc độ gió cũng được xác định. Đó là những trạm cầu bay.
Trạm khí tượng lớp biên: Để quan sát các yếu tố khí tượng trong lớp
biên khí quyển sát đất, người ta lập những tháp (thường có độ cao từ 60-

100m) hoặc là lợi dụng những tháp cao như tháp truyền hình và gắn vào đó
những máy quan trắc tự động ở những độ cao 5, 10, 15, 20,… 100m để đo các
yếu tố khí tượng một cách chi tiết trong lớp này, đó là những tháp quan trắc
khí tượng lớp biên.


- 14-
Vệ tinh khí tƣợng
Những số liệu khí tượng được vệ tinh khí tượng quan trắc thu thập rồi
truyền về các trạm thu và xử lí số liệu ở mặt đất được gọi là số liệu khí tượng
vệ tinh. Số liệu vệ tinh bao phủ những vùng rất rộng lớn, kể cả trên đại
dương, nơi có rất ít số liệu quan trắc bề mặt. Ngày nay, số liệu vệ tinh đóng

vai trò đặc biệt hữu ích trong giám sát các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như
xoáy thuận nhiệt đới, gió mùa, mưa lớn,
Dựa vào đặc tính của quỹ đạo chuyển động, người ta chia vệ tinh khí
tượng ra làm hai loại cơ bản là vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực.
Vệ tinh địa tĩnh (VTĐT): Là vệ tinh nằm trên mặt phẳng xích đạo, có độ
cao khoảng 36.000 km và có vận tốc góc quay tương đương với vận tốc góc
quay của trái đất. Do vậy, ảnh chụp từ các vệ tinh địa tĩnh luôn là một vùng cố
định trên trái đất. Một số vệ tinh địa tĩnh thông dụng trong nghiệp vụ khí tượng
như: vệ tinh GMS của Nhật (140
0
E), vệ tinh GOES của Mỹ (GOES-E: 75
0

W,
GOES-W: 75
0
E), METEOSAT của châu Âu (0
0
), INSAT của Ấn-độ (93,5
0
E),
FY-2 của Trung Quốc (105
0
E).
VTĐT có ưu điểm là có độ phân giải thời gian rất cao và có thể quan

trắc được trên một vùng rất rộng (gần một nửa trái đất: 60
0
N-60
0
S). Thế
nhưng nhược điểm của nó là độ phân giải không gian không lớn, không quan
trắc được ở những vùng gần cực, khó có thể phát hiện các tín hiệu yếu vì nó
được đặt cách xa trái đất.
Vệ tinh quỹ đạo cực (VTQĐC): Là vệ tinh có quỹ đạo gần song song
với đường kinh tuyến. Mỗi một vòng quay, VTQĐC đi qua hai vùng cực của
trái đất. Một số vệ tinh thường được dùng trong nghiệp vụ như: TIROS,
NOAA, QuickSCAT, TRMM (Mỹ), METEOR (Liên Xô cũ), FY-1 (Trung

- 15-
Quốc), Từ mỗi trạm thu cố định trên trái đất, người ta có thể thu được 2 lần
ảnh trong một ngày khi nó đi qua vùng phủ của trạm thu.
Ưu điểm của số liệu VTQĐC là có độ phân giải không gian cao do nó
chuyển động ở rất gần bề mặt của trái đất (độ cao của vệ tinh chỉ từ 300-
1000km). VTQĐC có thể quan trắc được những tín hiệu rất yếu từ bề mặt trái
đất, ví dụ vệ tinh QuickSAT dùng để thám sát gió trên biển, TRMM (Tropical
Rainfall Measurement Mission) dùng để thám sát mưa vùng nhiệt đới, Tuy
vậy loại vệ tinh này lại có nhược điểm là số liệu của nó có vùng quan trắc bị
giới hạn trong một phạm vi hẹp (tối đa khoảng 3.000km) và có độ phân giải

thời gian không cao (2lần/ngày).
Quan trắc vệ tinh dựa vào việc hấp thụ bức xạ sóng dài phát ra từ hệ
thống trái đất-khí quyển. Bằng cách thu nhận có chọn lọc các bức xạ có bước
sóng nhất định (các kênh phổ bức xạ) người ta có thể có được các thông tin
khác nhau về khí quyển.
Kênh thị phổ (VIS-visible): Kênh thị phổ (phổ ánh sáng nhìn thấy)
chụp được ảnh nằm trong vùng phổ của ánh sáng thu nhận được khoảng 13
ảnh thị phổ từ 06 giờ sáng tới 06 giờ tối. Nó cho ta bức tranh về trường mây
và bề mặt trái đất gần nhất có thể quan sát được bằng mắt người.
Kênh hơi nước (WV-water vapor): Dải bước sóng của kênh này nằm
trong khoảng 6,7m. Tại bước sóng này, năng lượng toả ra bị hơi nước trong
khí quyền hấp thụ. Độ xám của điểm ảnh mô tả mức độ tập trung của hơi

nước trong cột khí quyển chủ yếu từ mực 850-300mb.
Người ta thường sử dụng ảnh WV kết hợp với ảnh hồng ngoại trong
phân tích thời tiết, đặc biệt trong việc theo dõi sự di chuyển của mây và tính
toán trường gió tại các tầng trung và cao của tầng đối lưu từ một số ảnh mây vệ
tinh liên tục về thời gian.


- 16-
Kênh hồng ngoại nhiệt (IR-infrared): Dải phổ của các kênh này nằm
trong khoảng từ 10,5-12,5m. Dải phổ này còn được gọi là cửa sổ khí quyển
bởi vì đây là dải phổ mà khí quyển tương đối trong suốt nhất đối với bức xạ
phát ra từ bề mặt trái đất vào vũ trụ. Theo các công thức vật lí, từ các mức

xám thu được có thể tính toán gần đúng nhiệt độ của đỉnh mây, của mặt đất
hoặc bề mặt biển. Trên ảnh hồng ngoại cũng dễ dàng phân biệt được mây và
bề mặt đất cũng như bề mặt đại dương do sự khác biệt khá rõ ràng về nhiệt độ
của các đối tượng này. Ưu điểm của kênh hồng ngoại là có thể cung cấp thông
tin cả thời gian ban ngày lẫn ban đêm và không bị ảnh hưởng bởi độ cao mặt
trời như kênh thị phổ. So với ảnh hơi nước, ảnh hồng ngoại phản ánh tốt hơn
bề mặt trái đất dưới các tầng khí quyển khác nhau.
Khí tƣợng radar
Trong khí tượng radar được dùng để quan trắc mây và sự chuyển động
của mây. Như vậy đối tượng quan trắc của radar chính là các hạt nước trong
khí quyển có kích thước nhỏ và rất nhỏ, từ micromet đến milimet trong đám
mây.

Radar phát ra những chùm bức xạ điện từ (các xung điện từ) đều đặn,
có bước sóng và cường độ bức xạ xác định và đồng thời cũng thu về những
chùm bức xạ phản hồi xen kẽ giữa các chùm bức xạ phát đi.
Tuỳ theo kích thước của các hạt nước và mật độ của chúng trong đám
mây mà bức xạ phản hồi có cường độ tương ứng. Bức xạ phản hồi thu được,
sau khi lọc nhiễu và khuếch đại được hiển thị trên màn huỳnh quang của
radar. Trên đó hình dạng và đặc điểm cấu trúc của đám mây được các nhà khí
tượng quan sát và phân tích. Đối với radar doppler người ta còn có thể tính
được thành phần của tốc độ chuyển động của các phần tử mây theo hướng của
bức xạ phản hồi.

- 17-
Do vật cản là những hạt nước nhỏ có kích thước biến đổi trong một
khoảng không lớn nên bức xạ sóng điện từ trong các radar khí tượng thường
có bước sóng 10cm hoặc 5cm và 3cm. Bán kính hoạt động của các radar khí
tượng thường từ 300-500mm. Radar khí tượng là một công cụ đắc lực, không
thể thiếu được trong công tác theo dõi bão và mây dông cũng như trong việc
xử lý chúng, chẳng hạn trong việc tác động tích cực lên các đám mây để tạo
mưa hoặc để phá các đám mây dông có thể gây ra mưa đá hoặc xoáy lốc.
1.2.2 Hạn quan trắc
Để số liệu quan trắc từ các trạm khác nhau có thể so sánh được và tập
hợp lại với nhau, tạo nên bức tranh sát thực về thời tiết toàn cảnh thì các số
liệu quan trắc khí tượng ở mọi trạm phải được tiến hành theo những quy định

chung chặt chẽ, chẳng hạn các trạm phải được thiết lập theo các quy chuẩn
thống nhất. Các máy quan trắc phải được kiểm định theo những máy chuẩn
quốc gia và quốc tế, được thể hiện trong các quy phạm xây dựng trạm, kiểm
định máy và quan trắc khí tượng. Ngoài ra, các quan trắc phải được thực hiện
ở những thời điểm thống nhất, gọi là những hạn quan trắc.
Thời điểm quan trắc được chọn theo giờ chung, được xác định theo
kinh tuyến gốc, đi qua đài thiên văn Greenwich ở ngoại ô Luân Đôn của nước
Anh, được gọi là thời gian trung bình Greenwich (Greenwich Mean Time,
viết tắt là GMT) hay cũng được gọi là thời gian xác định chung cho toàn thế
giới (Universal Time Coordinated, viết tắt là UTC). Việt Nam ở giữa múi giờ
thứ 7 nên giờ địa phương của Việt Nam sớm hơn GMT 7 tiếng. Thời điểm
quan trắc chính là lúc 00, 06, 12 và 18 GMT tương ứng với 07, 13, 19 và 01

giờ ở Việt Nam và thời điểm quan trắc phụ là lúc 03, 09, 15 và 21 GMT
(UTC), tương ứng với 10, 16, 22 và 04 ở giờ Việt Nam.


- 18-
Ngoài ra, do những nhu cầu thực tế có thể tiến hành các quan trắc ở
những thời hạn đặc biệt. Chẳng hạn, khi có bão khẩn cấp, ngoài các quan trắc
synop thông thường, người ta còn làm các quan trắc từng giờ để cung cấp số
liệu kịp thời cho công tác theo dõi và dự báo bão.
Hạn quan trắc của các tháp quan trắc khí tượng lớp biên, của trạm khí
tượng vệ tinh do người sử dụng quy định. Vì đó là những trạm quan trắc tự
động nên có thể lấy các thông tin sau từng giờ hay sau những khoảng thời

gian ngắn hơn, thậm chí chỉ sau vài phút.
1.3 Xử lý và chỉnh lý số liệu
1.3.1 Mã hoá và giải mã
Để chuyển phát nhanh bản tin quan trắc từ các trạm khí tượng người ta
mã hoá bản tin đó. Khi bản tin được chuyển về trung tâm, người ta lại giải mã
để có được các kết quả như trước khi mã hoá. Việc mã hoá và giải mã được
thực hiện theo mã luật và được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới hoặc trên
toàn quốc gia.
Các dạng mã luật khí tượng bề mặt [3] hiện đang sử dụng gồm:
- Mã FM 12-X Ext. SYNOP (bản tin quan trắc từ các trạm cố định trên
mặt đất):
AAXX YYGGi

W
IIiii i
R
i
X
hVV NNddff 1s
n
TTT 2s
n
T
d
T

d
T
d

3P
0
P
0
P
0
P
0

4PPPP 5appp 6RRRt
R
7wwW
1
W
2
8N
h
C
L
C
M

C
H
9GGgg
- Mã FM 13-X SHIP (bản tin quan trắc từ các trạm trên biển):
BBXX YYGGi
W
99L
a
L
a
L
a

Q
c
L
0
L
0
L
0
L
0
i
R

i
X
hVV NNddff 1s
n
TTT
2s
n
T
d
T
d
T

d
3P
0
P
0
P
0
P
0
4PPPP 5appp 6RRRt
R
7wwW

1
W
2

8N
h
C
L
C
M
C
H

9GGgg
- Mã FM 14-X Ext. SYNOP MOBIL (bản tin quan trắc các trạm di động


- 19-
trên đất):
OOXX YYGGi
W
Q
c
L
0

L
0
L
0
L
0
MMMU
La
U
Lo
h
0

h
0
h
0
h
0
i
m
i
R
i
X

hVV
NNddff 1s
n
TTT 2s
n
T
d
T
d
T
d
3P

0
P
0
P
0
P
0
4PPPP 5appp 6RRRt
R

7wwW
1

W
2
8N
h
C
L
C
M
C
H
9GGgg
Trong đó:

- Các nhóm AAXX, BBXX và OOXX là nhóm nhận dạng các bản tin;
- Nhóm YYGGi
W
báo ngày (YY), giờ (GG) và phương pháp đo, đơn vị đo
tốc độ gió (i
W
, nếu gió được ước lượng và tính bằng m/s thì i
W
= 0, tính
bằng kt thì i
W
= 2; nếu gió được đo bằng máy và tính bằng m/s thì i

W
= 1,
tính bằng kt thì i
W
= 3);
- Nhóm IIiii báo biểu số miền (II) và biểu số trạm (iii);
- Nhóm 99L
a
L
a
L
a

báo nhóm số không đổi (99) và vĩ độ (L
a
L
a
L
a
, báo đến
phần mười);
- Nhóm Q
c
L
0

L
0
L
0
L
0
báo phần tư địa cầu (Q
c
, nếu quan trắc tại kinh độ
đông và vĩ độ bắc thì Q
c
= 1, vĩ độ nam thì Q

c
= 3; tại kinh độ tây và vĩ
độ nam thì Q
c
= 5, vĩ độ bắc thì Q
c
= 7) và kinh độ (L
0
L
0
L
0

L
0
, báo đến
phần mười độ);
- Nhóm MMMU
La
U
Lo
báo thứ tự ô vuông của điểm quan trắc (MMM) và
chữ số hàng đơn vị của vĩ độ và kinh độ của ô MMM (U
La
U

Lo
);
- Nhóm h
0
h
0
h
0
h
0
i
m

báo độ cao của trạm di động (h
0
h
0
h
0
h
0
) và mực độ tin
cậy về độ cao (i
m
);

- Nhóm i
R
i
X
hVV báo trước nhóm 6RRRt
R
có trong bản tin không (i
R
), kiểu
thao tác ở trạm và báo trước nhóm 7wwW
1
W

2
có trong bản tin không, độ
cao chân mây thấp nhất so với bề mặt (h) và tầm nhìn ngang (VV);


- 20-
- Nhóm Nddff báo lượng mây tổng quan (N), hướng gió (dd) và tốc độ gió
(ff) được báo theo đơn vị chỉ bởi i
W
;
- Nhóm 1s
n

TTT báo dấu của nhiệt độ (s
n
, nếu nhiệt độ dương thì s
n
= 0,
nhiệt độ âm thì s
n
= 1), nhiệt độ không khí tính theo thang độ bách phân
lấy đến phần mười độ (TTT);
- Nhóm 2s
n
T

d
T
d
T
d
báo dấu của điểm sương (s
n
, nếu điểm sương dương thì
s
n
= 0, điểm sương âm thì s
n

= 1), điểm sương tính theo thang độ bách
phân lấy đến phần mười độ (T
d
T
d
T). Nếu không có số liệu điểm sương
thì báo độ ẩm tương đối bằng nhóm 29UUU;
- Nhóm 3P
0
P
0
P

0
P
0
báo biểu khí áp mực trạm tính đến phần mười mb;
- Nhóm 4PPPP báo biểu khí áp mặt biển tính đến phần mười mb. Nếu khí
áp không rút về mực biển được chính xác thì báo nhóm 4a
3
hhh với hhh
là độ cao mặt đẳng áp chuẩn tính bằng mét được chỉ bởi a
3
(mực 1000mb
thì a

3
= 1, mực 925mb thì a
3
= 2, mực 500mb thì a
3
= 5, mực 700mb thì
a
3
= 7, mực 850mb thì a
3
= 8);
- Nhóm 5appp báo đặc điểm xu thế khí áp 3 giờ qua (a) và trị số biến áp

(ppp);
- Nhóm 6RRRt
R
báo lượng mưa 6 giờ qua (RRR) và thời gian kéo dài (t
R
);
- Nhóm 7wwW
1
W
2
báo thời tiết hiện tại (ww) và đã qua (W
1

W
2
);
- Nhóm 8N
h
C
L
C
M
C
H
báo lượng mây thấp (N

h
, nếu không có mây thấp thì
là mây trung), C
L
là loại mây thấp, C
M
là loại mây trung, C
H
là loại mây
cao;
- Nhóm 9GGgg báo thời gian quan trắc sai lệch quá 10 phút.

- 21-
1.3.2 Kiểm tra số liệu
Những bản tin thu được có thể gặp những sai sót nên cần phải kiểm tra
và sửa chữa kịp thời. Sai số có thể phân làm hai loại là sai số hệ thống và sai
số ngẫu nhiên.
Những sai số có hệ thống thường phát sinh do đặc điểm vị trí đặt trạm,
hoặc do việc lắp đặt máy và vận hành máy không chính xác. Chẳng hạn,
những sai sót có hệ thống về gió có thể do cột gió đặt gần vật cản hoặc cột gió
không thẳng đứng. Những sai số hệ thống của khí áp, nhiệt độ thường có liên
quan đến việc xác định độ cao mực trạm không chính xác. Sai số hệ thống

cũng có thể mắc phải do năng lực của quan trắc viên.
Những sai số hệ thống thường dễ nhận ra vì chúng lặp đi lặp lại nhiều
lần ở một trạm. Phương pháp tốt nhất để tìm ra những sai số đó là dựa vào số
liệu của một mạng lưới trạm đủ dày, xác định trị số trung bình trong một
tháng nào đó của các yếu tố cần xét. Nếu số liệu của một trạm nào đó sai khác
nhiều so với số liệu của các trạm lân cận thì có thể kết luận số liệu của trạm
đó là có sai số hệ thống. Tuy nhiên, đối với các yếu tố như lượng mưa thì
phương pháp này không thể áp dụng được vì tính ngẫu nhiên của lượng mưa
rất cao.
Những sai số ngẫu nhiên có thể xảy ra do quan trắc, ghi mã số, chuyển
mã điện, ghi mã điện, dịch mã điện trong điền đồ, không chính xác. Trong
nhiều trường hợp có thể dễ dàng nhận ra những sai số ngẫu nhiên. Ví dụ, khi

trên bản đồ có ghi những yếu tố thời tiết không thể xảy ra trong một mùa hay
trong một miền nào đó; còn phần lớn, để nhận ra sai số ngẫu nhiên, phải áp
dụng một trong các biện pháp đối chiếu sau đây:
 Đối chiếu các yếu tố khác nhau tại cùng một trạm để kiểm tra yếu tố
này qua các yếu tố khác. Ví dụ, đối chiếu mưa tuyết với nhiệt độ, đối


- 22-
chiếu đặc điểm của giáng thuỷ với mây cũng có thể tìm ra các sai số;
 Đối chiếu một yếu tố trên nhiều trạm để tìm ra trạm có số liệu khác
thường. Bằng cách này ta có thể nhận ra sai số về gió, nhiệt độ, biến
thiên khí áp, ;

 Đối chiếu số liệu quan trắc được tiến hành vào các thời điểm khác nhau
để xem xét sự thay đổi của thời tiết theo thời gian cũng có thể phát hiện
được sai số.
1.3.3 Trao đổi và lƣu trữ số liệu
Như đã giới thiệu ở phần đầu, việc trao đổi số liệu cần phải được tiến
hành có tổ chức mới có thể nhanh chóng, đầy đủ và chính xác. Vì vậy, WMO
đã thiết lập một mạng lưới thông tin khí tượng toàn cầu kết nối các trung tâm
quốc gia vào 23 trung tâm khu vực và kết nối 23 trung tâm khu vực này vào 3
trung tâm toàn cầu đóng tại các thành phố Moscow, Washington và
Melbourne. Các trung tâm toàn cầu thu thập toàn bộ số liệu khí tượng trên thế
giới rồi phân phối về các trung tâm khu vực và các trung tâm quốc gia.
Thông qua hệ thống Viễn thông toàn cầu GTS của WMO, Trung tâm

Khí tượng thuỷ văn Quốc gia ở Hà Nội nối với 3 Trung tâm khu vực và thế
giới là: Bangkok, Bắc Kinh và Matxcơva. Ngoài ra, Trung tâm Khí tượng
thuỷ văn Quốc gia còn thu thập các thông tin khí tượng của Cục Khí tượng
Nhà nước Trung Quốc và các sản phẩm dự báo số trị của các Trung tâm Khí
tượng Tokyo, Trung tâm Dự báo hạn vừa châu Âu và các Trung tâm Khí
tượng khác thông qua Internet.
Hệ thống thông tin liên lạc nội địa sử dụng kết hợp thông tin vô tuyến,
điện thoại, mạng máy tính diện rộng WAN và vệ tinh thế hệ mới VSAT trên
cơ sở mạng thông tin khí tượng bảo đảm thu thập các thông tin, số liệu khí


- 23-

tượng thuỷ văn từ các đài, trạm trong cả nước về Trung tâm Khí tượng thuỷ
văn Quốc gia, đồng thời truyền các thông tin, các bản tin dự báo từ Trung tâm
Khí tượng thuỷ văn Quốc gia tới các Đài Khí tượng thuỷ văn khu vực và một
số Trung tâm dự báo Khí tượng thuỷ văn ở mỗi tỉnh.
1.4 Các phƣơng pháp dự báo thời tiết
Các nhà khí tượng sử dụng một số phương pháp khác nhau để dự báo
thời tiết trong tương lai. Nền tảng của các phương pháp dự báo thời tiết ngày
nay là phương pháp dự báo synop. Phương pháp synop hình thành từ cuối thế
kỉ 19, phát triển nhanh ở thế kỉ 20, phương pháp này nghiên cứu các quá trình
khí quyển vĩ mô: sự phát sinh, phát triển và dịch chuyển các vùng áp cao và
áp thấp trong tương quan với sự phát sinh, dịch chuyển và tiến triển của các
khối khí và front tạo thành giữa chúng; các xoáy nghịch, xoáy thuận, bão,

dông từ đó phát hiện các quy luật diễn biến thời tiết và hình thành các dự
báo tình huống sẽ xảy ra trong một vài ngày tới. Việc khảo sát các quá trình
synop được thực hiện bằng cách phân tích có hệ thống các bản đồ synop mặt
đất và cao không, các mặt cắt thẳng đứng của khí quyển, các giản đồ thám
không và nhiều phương tiện hỗ trợ khác, từ đó ngoại suy ra các dự báo thời
tiết. Trong thời gian gần đây các phương pháp mô phỏng số bằng máy tính và
vệ tinh khí tượng được áp dụng nhằm dự báo thời tiết chính xác hơn về mặt
định lượng.
Sau đây là một số phương pháp dự báo thời tiết được sử dụng chính
trước thập niên 70 khi máy tính chưa phát triển đủ mạnh để thực hiện các
phương pháp dự báo số trị [14].

- 24-
Phương pháp quán tính: Phương pháp này giả thiết điều kiện thời tiết
sẽ không thay đổi: "Ngày mai như ngày hôm nay". Phương pháp này chỉ đúng
cho hạn dự báo ngắn.
Phương pháp xu thế: Phương pháp này xác đinh hướng và tốc độ của
các front, các trung tâm áp cao và áp thấp và các vùng mây và giáng thủy.
Phương pháp khí hậu: Phương pháp này sử dụng số liệu thời tiết lịch
sử, được lấy trung bình trong một khoảng thời gian dài (hàng năm) để dự báo
điều kiện thời tiết ở một ngày cụ thể.
Phương pháp tương tự: Là một phương pháp phức hợp để tìm các điều
kiện thời tiết tương tự với số liệu lịch sử.

Ngày nay các phương pháp này đã dần bị thay thế bằng các mô hình dự
báo hiện đại và chúng chỉ còn được sử dụng để đánh giá mức độ hiệu quả của
việc dự báo thời tiết .
Phương pháp tiên tiến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới
hiện nay là phương pháp dự báo số trị. Phương pháp này sử dụng các máy
tính để xây dựng mô hình máy tính của khí quyển.
Đầu thế kỷ 20, những tiến bộ của sự hiểu biết về vật lý khí quyển dẫn
tới sự hình thành của dự báo thời tiết bằng phương pháp số hiện đại. Vào năm
1922, Lewis Fry Richardson đã xuất bản cuốn “Dự báo thời tiết bằng quá
trình số trị” [5], trong đó đã miêu tả những số hạng nhỏ trong các phương
trình động lực học chất lỏng có thể được bỏ qua để có thể tìm được các
nghiệm số. Tuy nhiên, số lượng tính toán quá lớn bằng phương pháp này

không thể thực hiện được trước khi các máy vi tính xuất hiện.
Đến giữa thập niên 1950, các thí nghiệm số trở nên dễ dàng hơn với sự
trợ giúp của máy tính. Các kết quả dự báo thời tiết đầu tiên bằng phương pháp