Những điều thú vị về... dự báo thời tiết (Bài 1)

Bài 1: Từ con chuồn chuồn đến... siêu máy tính

Mỗi sáng, hàng triệu người vặn radio và bật truyền hình để nghe dự báo thời tiết. Phải chăng trời có mây nghĩa là có mưa? Trời nắng ban mai có nắng nguyên ngày không? Nhiệt độ tăng lên có đạt đến nắng nóng gay gắt trên 38⁰C không? Và mỗi khi nghe dự báo thời tiết, chúng ta quyết định mặc quần áo nào và có nên mang theo áo mưa hay không? 

Tuy nhiên, thỉnh thoảng thời tiết không được dự báo chính xác cho lắm. Mặc dù độ chính xác của dự báo thời tiết đã gia tăng rõ rệt trong những năm gần đây nhưng việc tiên đoán thời tiết, một kết hợp thú vị giữa nghệ thuật và khoa học vẫn còn có nhiều sai lầm. Điều gì liên quan đến việc tiên đoán thời tiết và các dự báo thời tiết đáng tin cậy đến mức độ nào? Để trả lời, trước hết chúng ta hãy tìm hiểu dự báo thời tiết phát triển như thế nào.

Đo lường thời tiết

Vào thời xa xưa, việc dự báo thời tiết chủ yếu dựa theo những quan sát bằng mắt thường, như buổi chiều nhìn lên trời thấy màu vàng thì ngày mai nắng. Còn buổi chiều bầu trời có màu đỏ thì hôm sau có mưa hoặc buổi sáng bầu trời màu đỏ hay trắng trong thì hôm đó trời sẽ mưa. Hoặc có thể xem “chuồn chuồn bay thấp thì mưa, bay cao thì nắng, bay vừa thì râm”... Nhưng ở thời điểm đó con người không cắt nghĩa được cảnh sắc bầu trời, cũng như không cắt nghĩa được các hiện tượng của thời tiết. Ngày nay, các nhà khí tượng học sử dụng công cụ công nghệ cao và điều căn bản nhất của những công nghệ này được dùng xác định áp suất không khí, nhiệt độ, độ ẩm và gió.

Năm 1643, nhà vật lý học người Ý là Evangelista Torricelli đã phát minh ra phong vũ biểu (một dụng cụ đơn giản để đo áp suất của không khí bằng thủy ngân). Không lâu sau, khi sử dụng phong vũ biểu, con người đã phát hiện áp suất không khí tăng lên và hạ xuống khi thời tiết thay đổi và áp suất hạ xuống dưới 1.000mb (nhỏ hơn 760mmHg) thường báo hiệu có bão. Ẩm kế, dụng cụ đo độ ẩm của không khí, được chế tạo năm 1664. Và năm 1714, nhà vật lý học người Đức là Daniel Fahrenheit đã sáng tạo ra nhiệt kế thủy ngân đo nhiệt độ một cách chính xác. Năm 1765, nhà khoa học người Pháp là Antoine-Laurent Lavoisier sử dụng số liệu áp suất không khí, độ ẩm, tốc độ và hướng của gió theo ngày để tiên đoán thời tiết trước một hoặc hai ngày kế tiếp. Nhưng do trình độ khoa học về toán cũng như hiểu biết về vật lý khí quyển thời điểm đó, ông đã không thực hiện thành công.

Theo dõi thời tiết

Năm 1854, một tàu chiến Pháp và 38 tàu buôn bị chìm trong một trận bão dữ dội ngoài hải cảng Crimean ở Balaklava. Nhà chức trách Pháp cử Giám đốc Đài thiên văn Paris Urbain Jean Joseph Levernier đi điều tra. Qua xem xét sổ sách ghi chép về khí tượng, ông khám phá ra trận bão đã thành hình hai ngày trước và trận bão này đã quét ngang qua châu Âu từ phía tây bắc sang đông nam. Ông đưa ra kết luận là nếu có một hệ thống theo dõi sự chuyển động của bão thì các tàu đó đã có thể được báo trước. Từ đó, dự báo bão đã được triển khai tại Đài thiên văn Pháp. Và đây là điểm khởi đầu sự ra đời ngành khí tượng học hiện đại.

Tuy nhiên, để dự báo khí tượng cần có các dữ liệu về thời tiết từ những nơi khác nhau đã gây trở ngại cho các nhà dự báo khí tượng lúc bấy giờ. Nhà khoa học người Mỹ Samuel Morse phát minh máy điện báo đã giúp các nhà khí tượng trao đổi thông tin khí tượng các vùng lãnh thổ với nhau. Phát minh này giúp Đài thiên văn Paris cho ra những bản đồ thời tiết đầu tiên vào năm 1863, khí tượng Anh vào năm 1872. Bản đồ khí tượng đầu tiên này được gọi là bản đồ SYNOP, ngày nay vẫn được sử dụng làm công cụ hỗ trợ dự báo thời tiết.

Càng thu được nhiều dữ liệu, các nhà khí tượng học càng nhận thức thời tiết hết sức phức tạp. Có quá nhiều hiện tượng thời tiết, để thống nhất chung các nhà khí tượng đã đưa ra những ký hiệu cho các hiện tượng thời tiết. Nhờ đó, khi nhìn vào bản đồ thời tiết, nhà khí tượng nắm được thông tin thời tiết ở những vùng lãnh thổ khác nhau.

Nhưng những hiện tượng thời tiết không chỉ xuất hiện trên bề mặt trái đất mà còn xuất hiện trên tầng cao của khí quyển. Để nắm được thông tin trên tầng cao khí quyển, các trạm khí tượng trên khắp thế giới thực hiện thả bóng thám không gắn theo máy thám trắc vô tuyến để đo các yếu tố khí tượng trong tầng khí quyển. Ngày nay, ngoài bóng thám không, các nhà khí tượng còn sử dụng rada giám sát mây bằng sóng radio xác định vùng mưa và theo dõi bão.

Một bước tiến vượt bậc trong việc quan sát thời tiết vào năm 1960, khi con người phóng vệ tinh khí tượng đầu tiên TIROS I để phục vụ dự báo khí tượng. Ngày nay, để phục vụ dự báo khí tượng, các nhà khí tượng đã sử dụng vệ tinh cực (là vệ tinh bay theo quỹ đạo trái đất từ cực này đến cực kia) và vệ tinh địa tĩnh (là vệ tinh giữ một vị trí cố định trên mặt của trái đất và liên tục giám sát phần trái đất nằm trong phạm vi nhất định). Cả hai loại vệ tinh này phát xuống trái đất những hình ảnh về thời tiết, quan sát được từ trên cao đã trở thành công cụ không thể thiếu để nghiên cứu một phổ rộng các hiện tượng từ cháy rừng đến El nino. Những năm gần đây, chúng được sử dụng để nghiên cứu biến đổi khí hậu lâu dài, chẳng hạn hiệu ứng do sự phát thải khí nhà kính do con người.

Dự báo thời tiết

Biết rõ thời tiết ngay bây giờ là một chuyện nhưng tiên đoán khí hậu sẽ ra sao sau một tiếng đồng hồ, một ngày hoặc một tuần lại là chuyện khác. Không lâu sau thế chiến thứ I (năm 1922), nhà khí tượng học người Anh Lewis Richardson cho rằng ông có thể dùng toán để tiên đoán thời tiết vì khí quyển luôn tuân theo những định luật vật lý nhất định (sử dụng phương trình động lực học chất lỏng). Tại thời điểm này, ở Na Uy có một nhóm các nhà khí tượng, đứng đầu là Vilhelm Bjerknes đã phát triển một mô hình để giải thích sự hình thành, tăng cường và tan rã (vòng đời) của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới, đã đưa ra ý tưởng về front, là đường biên giữa các khối khí. Nhóm cũng bao gồm Carl Gustaf Rossby (người đầu tiên giải thích các chuyển động quy mô lớn khí quyển trên quan điểm của động lực học chất lỏng), Tor Bergeron (người đầu tiên đưa ra cơ chế hình thành mưa).

Tuy nhiên, những công thức này quá phức tạp và cách tính toán mất quá nhiều thì giờ nên những front (là nơi hai khối không khí nóng và lạnh tiếp giáp nhau) thời tiết đã biến mất trước khi các dự báo viên dự báo thời tiết tính toán xong. Nhưng khi siêu máy tính ra đời, các nhà khí tượng đã có thể tính toán các mô hình toán phức tạp một cách nhanh chóng. Ngoài ra, các nhà khí tượng sử dụng mô hình toán Richardson để phát triển mô số trị (là một loạt phương trình toán học bao gồm tất cả định luật vật lý khí quyển chi phối thời tiết).

Các siêu máy tính đóng vai trò như thế nào đối với dự báo thời tiết ngày nay. Và khi đó, người dự báo thời tiết có vai trò như thế nào?.

 Nguyễn Hải Sơn
Giám đốc Đài Khí tượng thủy văn tỉnh Bình Phước