Trạm ra-đa thời tiết là quả cầu trắng thường thấy trên đỉnh đồi hay nóc toà nhà cao: bên trong là ăng-ten parabol quay liên tục, phát xung vi sóng và nghe tiếng vọng dội về từ hạt mưa. Nhưng ra-đa không chỉ "thấy" mưa. Nó còn bắt được đàn chim rời tổ lúc bình minh, đám côn trùng bay đêm, tua-bin gió, cả Mặt Trời, và đôi khi những vệt "mưa" hoàn toàn không có thật vì tia sóng bị không khí bẻ cong. Phần quan trọng trong công việc ở trạm là nhận ra đâu là mưa thật.
Bên trong quả cầu trắng
Lớp vỏ cầu gọi là vòm che ra-đa, làm bằng vật liệu cho vi sóng đi qua dễ dàng, có nhiệm vụ che gió, mưa, nắng cho ăng-ten. Ăng-ten bên trong thường là đĩa parabol đường kính vài mét. Nó quay tròn ở một góc ngẩng thấp, rồi nâng dần lên từng nấc, quét hết một "khối" bầu trời trong khoảng năm đến mười phút, rồi lặp lại.
Ra-đa phát một xung sóng rất ngắn, rồi im lặng nghe. Thời gian tiếng vọng quay về cho biết vật phản xạ ở xa bao nhiêu; cường độ tiếng vọng cho biết mưa nặng hay nhẹ. Ra-đa Doppler còn đo được độ lệch tần số, tức vật phản xạ đang tiến lại gần hay ra xa, nhờ đó thấy được gió trong lòng cơn dông và vòng xoáy của bão.
| Băng tần | Bước sóng | Đặc điểm |
|---|---|---|
| S | Khoảng 10 cm | Ít bị mưa lớn làm suy giảm, tầm xa; ăng-ten to, đắt; mạng NEXRAD của Mỹ dùng loại này |
| C | Khoảng 5 cm | Cân bằng giữa tầm xa và kích thước; phổ biến ở châu Âu và châu Á |
| X | Khoảng 3 cm | Độ phân giải cao, ăng-ten nhỏ, nhưng tín hiệu suy giảm nhanh trong mưa lớn; hợp cho vùng đô thị, tầm gần |
Vì sao trạm phải đặt trên cao
Tia ra-đa đi gần như thẳng, còn mặt đất thì cong. Càng ra xa trạm, tia càng cao so với mặt đất: ở khoảng 200 km, tia thấp nhất đã ở độ cao khoảng ba đến bốn km. Mưa từ mây thấp ở xa vì thế có thể lọt bên dưới tia mà ra-đa không thấy. Đồi núi, nhà cao tầng cạnh trạm che khuất cả một góc quét. Người chọn vị trí phải cân giữa chỗ cao thoáng, đường điện, đường vào bảo trì và nhiễu từ các nguồn phát sóng khác.
Những tiếng vọng không phải mưa
Ra-đa nhận tiếng vọng từ mọi thứ đủ lớn trong đường đi của nó. Các nhà khí tượng gọi chung là tiếng vọng phi khí tượng. Một số loại rất đẹp và kỳ lạ:
Vòng tròn lúc bình minh
Ở Mỹ, vào cuối hè, trên ảnh ra-đa lúc sáng sớm thường xuất hiện những vòng tròn nở rộng dần như gợn sóng trên mặt hồ. Đó là hàng chục nghìn con chim như nhạn, sáo đá rời chỗ ngủ tập thể cùng lúc rồi bay toả ra mọi hướng kiếm ăn. Vì chim rời tổ vào một giờ khá đều so với lúc Mặt Trời mọc, các nhà điểu học dùng chính những vòng này để tìm và đếm các bãi ngủ lớn. Ở bang Texas, vào chạng vạng, ra-đa còn thấy đám mây dơi khổng lồ bay ra từ các hang như hang Bracken.
Đàn chim di cư ban đêm
Mùa xuân và mùa thu, sau khi trời tối, ảnh ra-đa nhiều nơi hiện một vùng tiếng vọng mờ, toả tròn quanh trạm. Đó là hàng triệu con chim di cư cất cánh. Dự án BirdCast của Phòng thí nghiệm Điểu học Cornell dùng số liệu ra-đa để dự báo đêm nào chim di cư nhiều, khuyến khích các thành phố tắt bớt đèn chiếu sáng toà nhà vào những đêm đó để chim không bị ánh đèn làm lạc hướng.
Côn trùng và phù du
Côn trùng bay theo gió tạo tiếng vọng yếu, thường thấy rõ ở ra-đa gần vào các tối mùa hè. Ở thượng nguồn sông Mississippi, những đợt phù du nở hàng loạt đã từng hiện lên ảnh ra-đa trông như một dải mưa dọc theo dòng sông.
Mặt Trời trên ảnh ra-đa
Lúc Mặt Trời mọc hoặc lặn, khi ăng-ten quay qua đúng hướng Mặt Trời, nó nhận được bức xạ vi sóng tự nhiên của Mặt Trời. Trên ảnh hiện một vạch mảnh chạy thẳng từ trạm ra xa. Thay vì là phiền toái, vạch này được dùng để kiểm tra ăng-ten có chỉ đúng hướng hay không, vì vị trí Mặt Trời tính được chính xác tuyệt đối.
"Mưa ma": khi không khí bẻ cong tia sóng
Bình thường, tia ra-đa hơi cong xuống theo mặt đất một chút. Nhưng khi có lớp nghịch nhiệt, tức lớp không khí ấm và khô nằm trên lớp lạnh và ẩm sát mặt đất hoặc mặt biển, tia sóng bị bẻ cong xuống mạnh hơn nhiều. Nó đập vào đất, nhà cửa, mặt biển ở xa rồi dội về. Trên ảnh hiện những mảng tiếng vọng rộng, đứng yên hoặc lốm đốm, trông như mưa. Hiện tượng này gọi là lan truyền dị thường, hay gặp vào đêm và sáng sớm trời quang, nhất là trên biển.
Cách nhận ra: "mưa" này không di chuyển theo gió, xuất hiện khi trời không có mây trên ảnh vệ tinh, và thường biến mất khi Mặt Trời lên cao làm tan lớp nghịch nhiệt. Ra-đa Doppler còn thấy vận tốc gần bằng 0, vì đất đá không chuyển động.
Ra-đa phân cực kép: nhìn được hình dạng
Ra-đa đời mới phát cùng lúc sóng phân cực ngang và phân cực dọc. Giọt mưa lớn khi rơi bị dẹt như cái bánh bao, nên phản xạ sóng ngang mạnh hơn sóng dọc. Mưa đá, tuyết, côn trùng, chim mỗi thứ có "tỉ lệ ngang dọc" khác nhau. Đặc biệt, hệ số tương quan giữa hai kênh rất cao với mưa, nhưng thấp với vật thể có hình dạng hỗn loạn như chim, côn trùng, hay mảnh vỡ.
Mạng NEXRAD của Mỹ, khoảng 160 trạm, nâng cấp xong lên phân cực kép năm 2013. Từ đó các dự báo viên có thêm một công cụ: khi một cơn lốc xoáy cuốn mảnh vỡ nhà cửa, cây cối lên cao, ra-đa thấy một vùng tiếng vọng mạnh nhưng hệ số tương quan thấp đúng ở vị trí xoáy. Đó là dấu hiệu lốc đang gây thiệt hại thật, kể cả khi trời tối và không ai nhìn thấy.
Ra-đa và vệ tinh: hai con mắt bổ sung cho nhau
Ra-đa nhìn từ dưới lên, thấy chi tiết mưa trong vòng vài trăm km. Vệ tinh nhìn từ trên xuống, thấy mây trên cả một vùng rộng lớn. Vệ tinh địa tĩnh như Himawari-9 của Nhật Bản, phục vụ khu vực châu Á – Thái Bình Dương, chụp toàn bộ một nửa Trái Đất khoảng mười phút một lần. Vệ tinh quỹ đạo cực mang cảm biến vi sóng còn "nhìn xuyên" được mây để ước lượng mưa ở giữa biển, nơi không trạm ra-đa nào với tới. Dự báo viên luôn đặt hai loại ảnh cạnh nhau: ra-đa có tiếng vọng mà vệ tinh không thấy mây là dấu hiệu nghi ngờ tiếng vọng giả.
Ở Việt Nam, cơ quan khí tượng thuỷ văn quốc gia vận hành một mạng lưới trạm ra-đa thời tiết trải dọc từ Bắc vào Nam, trong đó có trạm ở Phù Liễn (Hải Phòng), nơi có truyền thống khí tượng lâu đời. Ảnh ghép từ các trạm giúp theo dõi mưa dông, mưa lớn và hoàn lưu bão khi vào gần bờ.
Góc nhìn hôm nay: tập làm người soi ảnh ra-đa
- Xem ảnh ra-đa nhiều lần trong ngày: so ảnh lúc sáng sớm trời quang với lúc trưa, sẽ có lúc thấy những đốm tiếng vọng đứng yên quanh trạm biến mất. Đó thường là nhiễu mặt đất hoặc lan truyền dị thường.
- Đặt ảnh ra-đa cạnh ảnh vệ tinh: chỗ có tiếng vọng mà không có mây thì nên nghi ngờ.
- Theo dõi chim di cư: trang BirdCast công bố bản đồ di cư dựa trên ra-đa cho Bắc Mỹ, một ví dụ hay về việc biến "nhiễu" của ngành này thành dữ liệu quý của ngành khác.
- An toàn quanh trạm: ra-đa thời tiết phát vi sóng công suất lớn; khu vực sát ăng-ten có rào và biển hạn chế. Ở khoảng cách bình thường quanh trạm, mức phơi nhiễm thấp hơn nhiều giới hạn an toàn, nhưng không nên tự ý vào khu vực rào chắn.
Ra-đa thời tiết là ví dụ đẹp về cách khoa học xử lý điều bất thường: mỗi loại tiếng vọng lạ từng làm người ta bối rối, rồi được hiểu, được lọc khỏi bản đồ mưa, và có khi được dùng cho một mục đích hoàn toàn mới.
Câu hỏi thường gặp
Quả cầu trắng trên đỉnh đồi là gì?
Nhiều quả cầu trắng trên đồi hoặc nóc nhà cao là vòm che của trạm ra-đa thời tiết. Bên trong là ăng-ten parabol quay liên tục, phát xung vi sóng và thu tiếng vọng từ hạt mưa để vẽ bản đồ mưa.
Ra-đa thời tiết có thấy chim không?
Có. Ra-đa bắt được đàn chim di cư ban đêm, chim rời bãi ngủ lúc bình minh tạo thành vòng tròn nở rộng, và cả đàn dơi, côn trùng. Ra-đa phân cực kép giúp phân biệt các tiếng vọng sinh học này với mưa.
Lan truyền dị thường trên ra-đa là gì?
Đó là khi lớp nghịch nhiệt bẻ cong tia ra-đa xuống mặt đất hoặc mặt biển ở xa, tạo tiếng vọng trông như mưa nhưng không có thật. Hiện tượng hay gặp vào đêm và sáng sớm trời quang, và thường biến mất khi nắng lên.
Ra-đa thời tiết có nguy hiểm không?
Ra-đa phát vi sóng, là bức xạ không ion hoá. Khu vực sát ăng-ten có rào chắn vì công suất lớn, còn ở khoảng cách bình thường quanh trạm, mức phơi nhiễm thấp hơn nhiều giới hạn an toàn.
Ra-đa và vệ tinh thời tiết khác nhau thế nào?
Ra-đa đặt trên mặt đất, đo tiếng vọng từ hạt mưa trong bán kính vài trăm km với độ chi tiết cao. Vệ tinh nhìn từ trên xuống, thấy mây trên vùng rộng lớn, kể cả giữa biển; hai nguồn được đối chiếu để loại tiếng vọng giả.
