Cách đo lượng mưa, cách hiểu lượng mưa đo được trong bản tin thời tiết
Sự khác biệt là một điểm quan trọng khi nói tới lượng mưa, khiến việc đo lường trở nên khó khăn. Các nhà khí tượng học và các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều thiết bị đo lường cho phép họ nghiên cứu sự khác biệt đến cực đoan của lượng mưa.
Bạn có thể dễ dàng nhận thấy mưa thay đổi theo thời gian. Tại nơi bạn sống, không phải lúc nào trời cũng đổ mưa. Ngay cả khi có mưa, cường độ mưa cũng có thể thay đổi liên tục từ rất nhỏ đến rất to. Quãng thời gian mưa to thường diễn ra chóng vánh. Sự khác biệt trong lượng mưa cũng có thể nhận thấy ở quy mô rộng hơn, bởi trên thực tế có những tháng hoặc năm ẩm ướt hơn và cũng có những tháng hoặc năm khô hơn. Ngoài ra, nơi có mưa cũng có sự khác biệt. Có thể ở một nơi đang mưa rất to, nhưng cách đó vài km hoặc thậm chí vài trăm mét thôi lại chẳng có giọt mưa nào hoặc có mưa nhưng rất nhỏ.
Ba thiết bị phổ biến nhất sẽ được giải thích về nguyên lý hoạt động trong bài này. Dữ liệu trong bài viết được thu thập tại Trường Đại học Ecole des Ponts ParisTech, Pháp.
CÁCH ĐO LƯỜNG LƯỢNG MƯA?
Phép đo lượng mưa phổ biến nhất là tính tổng chiều dày lớp nước mưa trong một khoảng thời gian nhất định, đơn vị tính là milimét (mm). Ví dụ, chúng ta muốn biết bao nhiêu mm nước mưa đã rơi xuống trong thời gian 1 giờ, 1 ngày, 1 tháng hoặc 1 năm.
Bạn có thể dễ dàng tự đo chiều dày lớp nước mưa theo các bước sau: (1) Lấy một chiếc chai có bề mặt nhẵn, cắt rời phần phía trên và úp ngược xuống để tạo thành một cái phễu (xem Hình 1A). (2) Dán một chiếc thước vào thành chai và đổ đầy nước đến vạch số 0 trên thước, vạch này phải cao hơn các vết lồi ở đáy chai. Nếu không, các vết lồi sẽ ảnh hưởng đến phép đo. (3) Đặt máy đo lượng mưa của bạn ngoài trời, càng cách xa các tòa nhà và cây cối càng tốt. (4) Thường xuyên ghi lại mực nước (ví dụ, mỗi sáng lúc 8 giờ sáng) để thu thập dữ liệu. Nếu bạn dự định thực hiện các phép đo trong mùa hè, một lượng nước bên trong chai sẽ bay hơi (lên đến vài mm một ngày) và điều này sẽ ảnh hưởng đến số đo thực tế. Để tránh trường hợp này xảy ra, bạn có thể thêm một lớp dầu mỏng vào nước. Vì nhẹ hơn nước nên dầu sẽ nổi trên mặt nước và ngăn cản sự bay hơi. Các con số có được từ thiết bị đo lượng mưa sẽ cho bạn biết lượng mưa trong một khoảng thời gian nhất định.
Hình 1
A.Thiết bị đo lượng mưa tự chế. B. Thiết bị đo lượng mưa Tipping Bucket Rain Gauge. C. Một ví dụ về dữ liệu thu được bằng thiết bị đo lượng mưa với gầu lật (Tipping Bucket Rain Gauge), cho biết lượng mưa (tính bằng mm, trục Y) đã giảm theo thời gian (trục X) vào ngày 27/6/2017 trong khuôn viên Trường Đại học Ecole des Ponts ParisTech, Pháp. Mức tăng nhanh nhất, tương ứng với thời điểm mưa to, xảy ra trong khoảng từ 13 đến 14 giờ.
Các chuyên gia sử dụng một loại thiết bị phức tạp hơn là Tipping Bucket Rain Gauge trong Hình 1B. Thiết bị đo lượng mưa này trông giống như thiết bị tự chế, nhưng có thêm hai gầu dưới phễu. Nước mưa sẽ được gom vào phễu sau đó chảy xuống gầu. Khi gầu đầy nước, thường là sau khi mưa rơi được 0,2 mm, nó sẽ tự động đổ xuống đẩy gầu còn lại lên. Quy trình diễn ra lại từ đầu với gầu thứ hai. Thiết bị ghi lại thời gian của tất cả các gầu đổ xuống, giúp nhà nghiên cứu lấy được số liệu về tốc độ mưa rơi theo thời gian. Hình 1C là một ví dụ về dữ liệu có thể thu được bằng cách sử dụng thiết bị đo lượng mưa Tipping Bucket Rain Gauge. Những quan sát này được thực hiện vào ngày 27/6/2017. Chiều dày lớp nước mưa (tính bằng mm) nhanh chóng tăng lên trong khoảng thời gian từ 13:00 đến 14:00, có nghĩa là vào thời điểm trời mưa rất to. Trong thời gian mưa nhỏ, thiết bị này hoạt động không chính xác. Ví dụ: trong khoảng thời gian từ 05:15 đến 13:00, tất cả thông tin mà bạn có thể thu được là 0,2 mm mưa đã rơi (một gàu), nhưng bạn không biết chính xác thời điểm mưa rơi. Nếu trời nhiều gió, độ chính xác của thiết bị cũng bị ảnh hưởng.
Vì sao dự báo thời tiết lại dùng milimét để đo lượng nước mưa?
Trong chương trình dự báo thời tiết, các biên tập viên thường nói lượng mưa khoảng vài trăm hay vài chục milimét (mm). Vậy, tại sao người tà lại dùng milimét để đo lượng nước mưa mà không dùng mét (m), centimét (cm), việc đo lượng mưa diễn ra như thế nào?
Lượng mưa là chiều dày của lớp nước mưa rơi xuống tại một địa điểm nào đó. Nếu trong chương trình dự báo thời tiết, người ta thông báo "đo được lượng mưa khoảng 300mm", thì điều đó có nghĩa, đường sẽ ngập khoảng 300mm nước sau cơn mưa nếu đất không ngấm nước. Tuy nhiên trong thực tế, đất sẽ ngấm nước và lượng nước đó lại chảy ra các sông, suối… nên chúng ta sẽ không thể cảm nhận trực tiếp được lượng nước mưa.
Với một cơn mưa có lượng mưa 200mm và cái sân 100m2 sẽ thu được 20m3 nước. Vì vậy, nếu mưa trên diện tích lớn ở nhiều tỉnh thành phố, lượng nước chảy về các sông suối sẽ cực kỳ lớn.
Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) quy định lượng nước mưa lớn hay nhỏ căn cứ theo số liệu dưới đây.
Mưa vừa: Từ 16 đến 50mm/24h, hoặc 8 đến 25mm/12h
Mưa to: Từ 51 đến 100mm/24h, hoặc 26 đến 50mm/12h
Mưa rất to: > 100mm/24h, hoặc > 50mm/12h
Theo các nghiên cứu về ảnh hưởng của mưa, từ cấp mưa to (51-100 mm/24h) trở lên đã bắt đầu ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống con người.
CÁCH ĐO KÍCH CỠ GIỌT MƯA?
Trận mưa được đo bằng gì? Tất nhiên là những giọt mưa! Thiết bị đo lượng mưa không thể đo được từng giọt mưa riêng lẻ. Để thu thập dữ liệu về các giọt và kích thước của chúng, bạn cần một loại thiết bị đo có tên disdrometer.
Trước khi mô tả một thiết bị đo kích thước giọt "thực", bạn có thể tự chế một chiếc ở nhà. Hãy làm theo các bước sau: (1) Lấy một chiếc đĩa sau đó phủ lên một lớp bột mì dày vài mm. (2) Khi trời mưa, mang chiếc đĩa đã được che chắn ra ngoài trời, mở tấm che trong vài giây để hứng. Các giọt mưa rơi vào lớp bột mì và tạo ra các hố nhỏ. Sau đó, bạn mang chiếc đĩa vào bên trong. (3) Phân tích kết quả.
Chiếc đĩa bột mì của bạn trông sẽ tương tự như hình 2A. Bạn sẽ nhận thấy rằng không phải tất cả các giọt đều có cùng kích thước - một số rất nhỏ và một số rất lớn! Trên thực tế, miệng lỗ sẽ lớn hơn kích thước thực của các giọt nước vì nước hơi lan ra sau khi chạm vào chiếc đĩa, nhưng chúng vẫn có thể giúp bạn hình dung được sự đa dạng về kích thước của các giọt mưa.
Hình 2
A.Các phép đo thu được bằng thiết bị đo lường tự chế. B. Một máy đo bằng quang học. Máy gồm một đầu phát tạo luồng ánh sáng hướng về phía đầu thu. Khi một giọt nước rơi qua thiết bị, đầu thu sẽ bị che khuất. C. Dữ liệu đo kích thước giọt mưa cho thấy số lượng giọt mưa, được phân loại theo kích cỡ, trong cơn mưa ngày 27/6/2017 tại khuôn viên Trường Đại học Ecole des Ponts ParisTech, Pháp. Trên trục X, bạn có thể thấy các kích thước đường kính và trên trục Y là số lượng giọt của từng loại kích thước. Bạn có thể thấy chiều rộng của các lớp khác nhau. Những giọt nhỏ có chiều rộng lớp bé hơn và số lượng giọt nhiều hơn D. Tốc độ mưa tính bằng mm/h (trục Y) theo thời gian tính bằng giờ (trục X). Biểu đồ này cho thấy ba chỉ số cực đại của lượng mưa xảy ra trong ngày hôm đó.
Tuy nhiên, các nhà khí tượng học và các nhà nghiên cứu muốn có một thiết bị tự động và chính xác hơn chiếc đĩa bột mì. Hiện nay họ chủ yếu sử dụng thiết bị đo bằng quang học, có chức năng như trong Hình 2B. Loại thiết bị đo lường này được cấu tạo bởi hai phần: bộ phát và bộ thu. Bộ phát tạo ra một luồng ánh sáng có chiều cao vài mm. Bộ thu được đặt thẳng hàng với bộ phát, nghĩa là khi trời không mưa, bộ thu sẽ nhận được toàn bộ ánh sáng. Tuy nhiên, khi một giọt mưa xuyên qua luồng ánh sáng, hãy đoán xem điều gì sẽ xảy ra? Lượng ánh sáng nhận được nhỏ hơn, vì một phần bị chặn bởi giọt mưa. Nếu giọt mưa rơi rất nhanh, thời gian ánh sáng giảm sẽ ngắn. Đây là cách ước tính vận tốc rơi của giọt mưa. Nếu giọt mưa lớn, tín hiệu bộ thu đo được sẽ giảm nhiều hơn so với giọt mưa nhỏ hơn. Đây là cách đo kích thước giọt mưa. Bằng cách này đo được kích thước và vận tốc của từng giọt mưa rơi giữa bộ phát và bộ thu.
Kích thước một giọt mưa có thể lên tới 5–6 mm. Các giọt lớn hơn bị phân tách ra khi rơi xuống. Với kích thước quá lớn, các giọt mưa không đủ sức chống chọi lại sức mạnh của gió khi rơi nhanh. Vận tốc giọt mưa tăng tỉ lệ thuận với kích thước của chúng: giọt 1 mm rơi với vận tốc 3 m/s trong khi giọt 5 mm (những giọt rất lớn) rơi với vận tốc 8 m/s.
Hình 2C cho thấy một lượng giọt mưa với nhiều kích thước đã rơi xuống trong một cơn bão xảy ra vào ngày 27/6/2017 ở Paris. Số lượng giọt nhỏ nhiều hơn giọt lớn. Nhưng đừng quên rằng giọt 1 mm có thể tích nhỏ hơn 125 lần so với giọt 5 mm! Điều này có nghĩa, mặc dù chúng không nhiều nhưng những giọt lớn chiếm phần lớn lượng mưa. Sau đó, bằng cách cộng thể tích của tất cả các giọt đi qua thiết bị đo lường trong một bước thời gian 30 giây, bạn có thể ước tính được lượng mưa đã rơi xuống trong mỗi bước thời gian 30 giây. Con số này sẽ cho ta biết cường độ mưa được tính bằng mm/h.
Cường độ mưa cho bạn biết sức mạnh của trận mưa. Cường độ mưa sẽ tương đương với chiều dày lớp nước mưa trong 1 giờ nếu cường độ mưa không đổi trong suốt giờ này (điều gần như không bao giờ xảy ra trong thực tế). Hình 2D cho thấy cường độ mưa (tính bằng mm/h) với các bước thời gian 30 giây, trận mưa ngày 27/6/2017. Biểu đồ cho thấy sự thay đổi rất lớn về cường độ mưa.
CÁCH LẬP BẢN ĐỒ MƯA?
Chúng ta mới chỉ thảo luận về các thiết bị có thể cung cấp các phép đo lượng mưa tại một vị trí chính xác. Cả thiết bị đo lượng mưa và thiết bị đo kích cỡ hạt mưa đều mới chỉ cho bạn hình dung về cơn mưa tại vị trí đo chứ không phải các khu vực xung quanh hoặc cách xa đó 20 km. Để tạo bản đồ lượng mưa, tức bản đồ về lượng mưa rơi xuống tại nhiều địa điểm trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ: 5 phút hoặc 1 giờ), chúng ta cần radar thời tiết.;
Hoạt động của radar thời tiết được tóm tắt trong Hình 3A. Đầu tiên, thiết bị radar truyền sóng điện từ theo một hướng, sóng này sẽ truyền một phần năng lượng qua bầu khí quyển. Khi phần năng lượng này chạm đến giọt nước trong đám mây, một phần nhỏ của năng lượng đó sẽ được truyền trở lại thiết bị radar. Sau đó, thiết bị sẽ đo lường nguồn năng lượng rất nhỏ nhận được từ tất cả các giọt. Sử dụng các chương trình tính toán đặc biệt, có thể chuyển đổi năng lượng nhận được thành lượng mưa. Điều quan trọng là radar không trực tiếp đo lượng mưa mà thay vào đó đo lượng năng lượng do các giọt mưa tạo ra. Việc chuyển đổi năng lượng thành lượng mưa này rất phức tạp và người ta vẫn đang nghiên cứu để cải thiện nó. Ví dụ, hiện tại sự phân bố kích thước giọt và vị trí rơi trong một pixel radar được giả định là đồng nhất. Điều này đơn giản hóa quá mức thực tế và có thể ảnh hưởng đến các phép đo. Chương trình tính toán cho phép thiết bị radar ước tính lượng mưa ở những nơi cách xa đó. Thiết bị radar có thể quay xung quanh và cũng có thể thay đổi góc quay, do đó có thể ước tính tỷ lệ mưa trong môi trường xung quanh.
Hình 3
A.Radar thời tiết hoạt động theo nguyên lý gửi đi một tần sóng trong khí quyển và các giọt sẽ trả lại một phần năng lượng cho radar. Trong hình là radar thời tiết đặt trong khuôn viên của Trường Đại học Ecole des Ponts ParisTech, Pháp. B. Một bản đồ lượng mưa được tạo bằng cách sử dụng dữ liệu thu được bằng radar này ngày 15/9/2016 trong 3 phút 40 giây. Có thể thấy 2 điểm với lượng mưa rất lớn ở phần dưới của bản đồ.
Tùy thuộc vào loại radar, có thể ước tính lượng mưa trong bán kính lên đến 150-200 km. Những nước phát triển thậm chí có cả một mạng lưới thiết bị radar. Bằng cách kết hợp dữ liệu được thu thập bởi tất cả các thiết bị radar khác nhau, chúng ta có thể có được bản đồ lượng mưa trên toàn quốc. Hình 3B cho thấy một ví dụ về bản đồ radar lượng mưa được đo bằng thiết bị radar tại Trường Đại học Ecole des Ponts ParisTech, Pháp. Có thể thấy sự thay đổi của lượng mưa bằng cách để ý hai ô rất đậm ở phần dưới của bản đồ, có màu vàng và đỏ.
CHÚNG TA HỌC ĐƯỢC ĐIỀU GÌ?
Lượng mưa luôn không ổn định, thay đổi rất lớn theo thời gian và giữa các địa điểm khác nhau nên rất khó đo lường. Máy đo mưa về cơ bản thu thập nước rơi trên chính nó và ghi lại sự thay đổi theo thời gian của chiều dày lớp nước mưa, thường được biểu thị bằng mm. Bạn có thể nhận được nhiều thông tin chi tiết hơn với thiết bị đo kích cỡ giọt mưa. Thiết bị này tạo ra một luồng ánh sáng, luồng ánh sáng này bị chặn một phần khi một giọt nước rơi qua nó. Kích thước và vận tốc của mỗi giọt rơi qua luồng ánh sáng được ước tính từ lượng ánh sáng bị chặn. Để tạo bản đồ lượng mưa đo lượng mưa trên nhiều địa điểm, chúng ta phải sử dụng radar. Loại thiết bị này, về cơ bản, sẽ gửi một số năng lượng vào khí quyển và phân tích phần năng lượng đó được trả lại sau khi chạm vào những giọt mưa trong khí quyển. Hiện vẫn còn rất nhiều nhà khoa học đang tìm cách để đo lượng mưa một cách chính xác theo thời gian và ở nhiều địa điểm cùng một lúc.
Theo Frontier for Young Minds
Chủ đề khác
