Radar thời tiết là trạm phát sóng vi ba quét quanh một vùng bán kính vài trăm kilômét, đo phần sóng dội lại từ hạt mưa để biết mưa đang ở đâu, mạnh cỡ nào và di chuyển về hướng nào. Nhờ cập nhật mỗi 5–10 phút, radar là công cụ chính để cảnh báo mưa lớn, dông, mưa đá trong vài chục phút đến vài giờ tới, khoảng thời gian mà các mô hình dự báo thông thường làm chưa tốt.
Vệ tinh nhìn thấy đỉnh mây từ trên cao. Radar nhìn thấy mưa bên trong mây. Với cảnh báo lũ quét, ngập úng đô thị hay một cơn dông chiều sắp đổ xuống, chính thứ "bên trong" đó mới quyết định.
Radar thời tiết hoạt động như thế nào
Ăng-ten radar là một chảo parabol lớn, thường đặt trong quả cầu trắng trên đỉnh tháp hoặc đỉnh đồi. Chảo vừa quay tròn vừa nâng dần góc ngẩng, mỗi vòng phát đi hàng nghìn xung sóng ngắn. Khi xung gặp hạt mưa, một phần rất nhỏ năng lượng dội ngược về. Máy thu đo hai thứ:
- Thời gian sóng đi và về cho biết khoảng cách tới vùng mưa.
- Độ mạnh sóng dội cho biết hạt mưa nhiều hay ít, to hay nhỏ.
Quét xong vài chục vòng ở các góc ngẩng khác nhau, máy tính dựng được bức tranh ba chiều của các khối mây mưa. Cả chu trình mất khoảng 5–10 phút, rồi lặp lại suốt ngày đêm.
Radar thời tiết dùng ba dải sóng chính. Bước sóng càng dài thì càng xuyên được mưa to, nhìn được xa, nhưng chảo phải to và đắt:
| Dải sóng | Bước sóng xấp xỉ | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|
| Băng S | khoảng 10 cm | Ít bị suy hao khi mưa rất to, hợp với vùng bão | Ăng-ten lớn, chi phí cao |
| Băng C | khoảng 5 cm | Cân bằng giữa tầm xa và chi phí, dùng phổ biến | Bị suy hao khi đi xuyên qua mưa rất lớn |
| Băng X | khoảng 3 cm | Nhỏ gọn, độ phân giải cao, hợp đô thị và lưu vực nhỏ | Tầm gần, suy hao mạnh trong mưa to |
Đọc ảnh radar: dBZ và bảng màu
Ảnh radar mà ta hay thấy là bản đồ độ phản hồi vô tuyến, đơn vị dBZ. Đây là thang lôgarit: tăng 10 dBZ nghĩa là sóng dội mạnh gấp mười lần. Bảng màu tuỳ từng cơ quan, nhưng nhìn chung theo quy ước xanh nhạt là mưa nhỏ, chuyển dần sang vàng, cam, đỏ, tím là mưa càng lớn.
| Độ phản hồi | Thường tương ứng |
|---|---|
| Dưới 20 dBZ | Mưa phùn, mưa rất nhỏ, hoặc mây chưa cho mưa xuống đất |
| 20–35 dBZ | Mưa nhỏ đến vừa |
| 35–45 dBZ | Mưa vừa đến to |
| 45–55 dBZ | Mưa rất to, thường đi kèm dông |
| Trên 55–60 dBZ | Mưa cực lớn, có khả năng có mưa đá |
Các con số trên là ước lượng, vì cùng một độ phản hồi có thể ứng với nhiều kiểu mưa. Để đổi từ dBZ ra lượng mưa milimét mỗi giờ, người ta dùng công thức thực nghiệm gọi là quan hệ Z–R. Công thức nổi tiếng nhất do Marshall và Palmer công bố năm 1948, đến nay vẫn được dùng làm mặc định ở nhiều nơi, rồi hiệu chỉnh lại theo số đo của trạm đo mưa mặt đất.
Ba mẹo khi nhìn ảnh radar
- Xem chuỗi ảnh chứ đừng xem một ảnh. Năm sáu ảnh liền nhau cho biết vùng mưa đang lớn lên hay tan đi, chạy hướng nào, nhanh cỡ nào.
- Để ý lõi đỏ, tím nhỏ và đậm. Đó thường là ổ dông mạnh, có thể gây mưa rất to cục bộ, gió giật, sét, mưa đá.
- Vùng mưa đứng yên mới đáng sợ. Mưa to chạy qua trong 20 phút ít nguy hiểm hơn mưa vừa đứng một chỗ suốt ba giờ. Nhiều trận lũ quét và ngập đô thị đến từ kiểu mưa "đứng" này.
Radar Doppler và radar phân cực kép
Thế hệ radar cũ chỉ đo độ mạnh sóng dội. Radar Doppler đo thêm độ lệch tần số của sóng dội, từ đó tính được hạt mưa đang chạy lại gần hay ra xa trạm, nhanh bao nhiêu. Nhờ vậy dự báo viên thấy được gió bên trong cơn dông, nhận ra vùng xoáy, vùng gió giật mạnh, và thấy rõ cấu trúc hoàn lưu của bão khi nó vào gần bờ.
Radar phân cực kép phát cùng lúc sóng dao động theo chiều ngang và chiều đứng. Hạt mưa to rơi xuống bị dẹt như chiếc bánh bao, nên phản hồi theo chiều ngang mạnh hơn chiều đứng. Hạt mưa đá lăn tròn, bông tuyết, côn trùng, đàn chim mỗi thứ có "dấu vân tay" riêng. So hai chiều phân cực, máy tính phân loại được đâu là mưa, đâu là mưa đá, đâu là nhiễu, và ước lượng lượng mưa chính xác hơn hẳn so với chỉ dùng quan hệ Z–R.
Dự báo cực ngắn: vài chục phút đến vài giờ
Mô hình dự báo số trên siêu máy tính cần thời gian để "khởi động" và thường dự báo tốt xu thế trong vài ngày, nhưng khó chỉ ra cơn dông sẽ đổ xuống đúng phường nào trong một giờ tới. Khoảng trống 0–6 giờ đó được lấp bằng dự báo cực ngắn, tiếng Anh gọi là nowcasting.
Cách làm cơ bản rất trực giác: lấy chuỗi ảnh radar gần nhất, tính vectơ chuyển động của từng vùng mưa, rồi "đẩy" vùng mưa đó tiếp về phía trước. Kỹ thuật hiện đại kết hợp thêm sự lớn lên hoặc tan đi của ổ mây, số liệu vệ tinh, trạm đo mưa tự động, và trộn dần với mô hình số khi thời hạn dài ra. Độ chính xác giảm nhanh theo thời gian: tốt nhất trong khoảng một giờ đầu, sau ba bốn giờ thì kém đi rõ.
Dự báo cực ngắn là nền của nhiều loại cảnh báo:
- Cảnh báo dông, sét, mưa đá cho một tỉnh, một thành phố trong vài giờ tới.
- Cảnh báo mưa lớn cục bộ có thể gây ngập úng đô thị, để vận hành sớm trạm bơm và cống.
- Cảnh báo lũ quét, sạt lở ở vùng núi, khi kết hợp với độ ẩm đất và địa hình.
- Cảnh báo cho sân bay, cảng biển, công trường làm việc trên cao.
Giới hạn mà người đọc ảnh radar nên biết
Radar không phải nhìn thấy mọi thứ. Một số điểm yếu cố hữu:
- Độ cong Trái Đất. Tia radar đi thẳng, còn mặt đất cong đi. Càng xa trạm, tia càng nằm cao trên mặt đất; ở khoảng cách 200 km, tia thấp nhất đã cao vài kilômét. Mưa từ mây thấp ở xa có thể lọt dưới tia và không được thấy.
- Núi che khuất. Ở vùng núi, sườn núi chắn tia radar, tạo ra những "vùng mù" hình nan quạt phía sau. Đây là lý do vùng núi cần radar đặt cao hoặc dày hơn, và vẫn phải dựa nhiều vào trạm đo mưa mặt đất.
- Suy hao trong mưa to. Với radar băng C và X, sóng bị hạt mưa hấp thụ dần khi đi xuyên qua vùng mưa rất lớn, phía sau trông nhẹ hơn thực tế.
- Nhiễu không phải mưa. Phản xạ từ nhà cao tầng, sóng biển, đàn chim, côn trùng, thậm chí lớp nghịch nhiệt bẻ cong tia sóng xuống đất. Phần mềm lọc được phần lớn, nhưng thỉnh thoảng vẫn còn những đốm "mưa ma".
- Dải sáng. Ở độ cao băng tan thành mưa, bông tuyết ướt phản xạ rất mạnh, tạo ra một vòng sáng giả làm tưởng mưa to hơn thực tế.
Vì những giới hạn đó, cơ quan dự báo không bao giờ dùng radar một mình. Ảnh radar luôn được đối chiếu với trạm đo mưa tự động, ảnh vệ tinh, số liệu sét và mô hình số.
Mạng radar ở Việt Nam và trên thế giới
Việt Nam có một mạng radar thời tiết trải dọc từ Bắc vào Nam, gồm khoảng một chục trạm đặt ở các điểm cao gần bờ biển và đồng bằng, do ngành khí tượng thuỷ văn quản lý. Nhiều trạm đã được nâng cấp lên radar Doppler. Ảnh ghép từ nhiều trạm được đăng công khai, cập nhật dày đặc trong mùa mưa bão. Một số thành phố lớn và lưu vực nhỏ được nghiên cứu lắp thêm radar băng X tầm gần để theo dõi mưa đô thị.
Trên thế giới, Hoa Kỳ vận hành khoảng 160 radar Doppler phân cực kép phủ gần hết lãnh thổ; châu Âu ghép ảnh từ radar của nhiều quốc gia thành một bản đồ chung; Nhật Bản kết hợp radar và trạm đo mưa dày đặc để ra sản phẩm lượng mưa phân tích từng giờ, nền tảng của hệ thống cảnh báo sạt lở đất và lũ quét của nước này.
Dùng ảnh radar trong đời sống hằng ngày
Người làm công tác phòng chống thiên tai ở xã, phường có thể tập thói quen mở ảnh radar mỗi khi có tin mưa lớn: nhìn vùng mưa ở đâu, đang chạy về phía mình hay không, có "đứng" không. Kết hợp với lượng mưa đo được ở trạm gần nhất, đây là cách nhanh để quyết định có cần nhắc dân ven suối, chân đồi chuẩn bị hay không.
Với người dân, ảnh radar giúp quyết định những việc nhỏ: hoãn chuyến đi qua đèo, cất lúa phơi, đưa trẻ về sớm. Nhưng ảnh radar không thay được bản tin cảnh báo chính thức. Khi bản tin nói nguy cơ lũ quét, sạt lở hay có lệnh sơ tán, hãy làm theo bản tin dù trên ảnh radar trời đang tạnh: nước trên núi có thể đổ về nhiều giờ sau khi mưa đã dứt. Gặp nguy hiểm, gọi 112 để được tìm kiếm cứu nạn.
Câu hỏi thường gặp
Radar thời tiết là gì?
Radar thời tiết là thiết bị phát sóng vi ba và thu sóng dội lại từ hạt mưa để xác định vị trí, cường độ và hướng di chuyển của vùng mưa. Nó cập nhật mỗi 5–10 phút, phục vụ cảnh báo mưa lớn, dông, mưa đá trong vài giờ tới.
dBZ trên ảnh radar nghĩa là gì?
dBZ là đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến theo thang lôgarit, tăng 10 dBZ nghĩa là sóng dội mạnh gấp mười lần. Dưới 20 dBZ thường là mưa rất nhỏ, khoảng 45–55 dBZ là mưa rất to kèm dông, trên 55–60 dBZ có khả năng có mưa đá.
Radar thời tiết nhìn xa được bao nhiêu?
Tuỳ dải sóng, radar băng S và C thường theo dõi được vùng bán kính vài trăm kilômét, radar băng X tầm gần hơn. Càng xa trạm tia radar càng nằm cao trên mặt đất, nên mưa từ mây thấp ở xa có thể không được thấy.
Radar khác ảnh mây vệ tinh thế nào?
Vệ tinh chụp đỉnh mây từ trên cao, cho bức tranh rộng nhưng không nói chắc chỗ nào đang mưa xuống đất. Radar nhìn xuyên vào trong mây, đo trực tiếp hạt mưa, nên chính xác hơn về vị trí và cường độ mưa trong vùng nó phủ.
Dự báo cực ngắn nowcasting là gì?
Nowcasting là dự báo cho vài chục phút đến khoảng sáu giờ tới, chủ yếu dựa trên chuỗi ảnh radar để ngoại suy hướng và tốc độ di chuyển của vùng mưa. Độ chính xác cao nhất trong giờ đầu và giảm dần khi thời hạn dài ra.
