Hiện tượng gió đứt - Một số thiết bị phát hiện và cảnh báo gió đứt

Gió đứt là sự thay đổi đột ngột về vận tốc và/hoặc hướng gió trên một khu vực nhỏ, nơi các lớp hoặc cột không khí có vận tốc khác nhau chuyển động đến các lớp hoặc cột liền kề. Gió đứt tầng thấp liên quan đến giông, bão, hệ thống frontal, hiện tượng nghịch nhiệt… Gió đứt có thể xảy ra ở các tầng không khí khác nhau nhưng sự xuất hiện của gió đứt tầng thấp (dưới 500m so với mặt đất) đặc biệt nguy hiểm cho tầu bay trong giai đoạn cất và hạ cánh. Trong giai đoạn cất/hạ cánh, tốc độ và độ cao của tầu bay cần được kiểm soát chặt chẽ. Phi công phải phản ứng tức thì để duy trì kiểm soát tầu bay. Một chiếc máy bay cất cánh có thể gặp một luồng gió tạo ra lực nâng cho tầu bay, sau đó hướng gió đột ngột thay đổi theo hướng ngược lại (gió đứt) có thể dẫn đến mất độ cao. Nếu phi công không phản ứng kịp thời sẽ khiến cho tầu bay rơi xuống đất. Loại gió đứt nghiêm trọng nhất là Microburst. Thời gian tồn tại của một Microburst kéo dài khoảng 5 – 15 phút và có thể tạo ra dòng xuống khoảng 2000m mỗi phút. Microburst thường liên quan đến mưa, các đám mây đối lưu và những cơn giông. Microburst xảy ra trong không gian nhỏ, thời gian ngắn nên rất khó phát hiện.

Gió đứt và ảnh hưởng của gió đứt đến tầu bay trong giai đoạn cất/hạ cánh

Gió đứt tầng thấp có thể ảnh hưởng đến hoạt động của máy bay và đe dọa đến an toàn bay trong giai đoạn cất và hạ cánh. Cung cấp dữ liệu về gió thịnh hành cũng như gió đứt trên đường băng kịp thời (thời gian thực) và chính xác là rất quan trọng, giúp phi công và kiểm soát viên không lưu có một kết quả phân tích đầy đủ và toàn diện về điều kiện gió để quyết định cho tầu bay cất/hạ cánh hoặc tạm dừng/ bay chờ. Nhiều tài liệu của các tổ chức hàng không trên thế giới đã ghi nhận nhiều tai nạn tàu bay xảy ra trong quá trình tiếp cận, bay chờ, cất và hạ cánh liên quan đến gió đứt.

FAA, ICAO và các cơ quan hàng không khác đã đầu tư các nguồn lực đáng kể vào các hệ thống phát hiện gió đứt. Trong số đó phải kể đến các hệ thống: LLWAS, Radar thời tiết dopler (TDWR), LIDAR…

1. Hệ thống cảnh báo gió đứt tầng thấp LLWAS (Low-level Wind Shear Alert Systems).

Một phương pháp thường được sử dụng để phát hiện và cảnh báo gió đứt tầng thấp khu vực đường băng sân bay là lắp đặt một hệ thống các cảm biến gió (máy đo gió) xung quanh khu vực đường băng và kéo dài ra phía hai đầu đường băng khoảng 3 NM tính từ đầu thềm đường băng. Hệ thống này được gọi là hệ thống cảnh báo gió đứt tầng thấp (LLWAS). Số lượng máy đo gió cho một sân bay khoảng từ 6-32 chiếc tùy thuộc vào các điều kiện môi trường quan sát và các yêu cầu cụ thể. Các máy đo gió được lắp trên các cột cao được bố trí tại các vị trí được tính toán trước xung quanh khu vực cần phát hiện và cảnh báo gió đứt tầng thấp

Cột lắp đặt máy đo gió của hệ thống LLWAS

Dữ liệu từ các máy đo gió được đưa vào máy tính để so sánh tốc độ và hướng gió đo được tại các điểm khác nhau bằng thuật toán tính toán được phát triển bởi nhà sản xuất hệ thống và đưa ra cảnh báo tới Đài kiểm soát không lưu nếu có hiện tượng gió đứt nguy hiểm được phát hiện. Các cảnh báo do Kiểm soát viên không lưu đưa ra có thể là chung cho một khu vực hoặc là cho đường băng cụ thể và được phát ngay lập tức cho các phi công có thể bị ảnh hưởng.

Sơ đồ một hệ thống cảnh bảo gió đứt LLWAS.

2. Radar thời tiết dopler trung tận (Terminal Doppler Weather Radar – TDWR)

TDWR là một radar sơ cấp. Nguyên lý hoạt động của nó giống như radar giám sát sơ cấp (Primary Surveilance Radar – PSR).

 Nguyên lý hoạt động của TDWR

TDWR sử dụng một anten định hướng để bức xạ một xung năng lượng cao tần có tần số (f0) xác định trước ra ngoài không gian. Năng lượng cao tần sẽ lan truyền trong không gian với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (c = 3x10⁸ m/s). Khi gặp vật cản (đám mây, hạt mưa, băng, tuyết…) một phần năng lượng cao tần sẽ phản xạ về anten của TDWR. Khoảng cách (S) từ vật cản đến Đài TDWR được xác định bởi thời gian (t) từ lúc phát xung năng lượng cao tần đến khi nhận được tín hiệu phản xạ của nó bởi công thức:

S = (c.t)/2

Tần số của xung năng lượng cao tần phản xạ về anten sẽ thay đổi do hiệu ứng Doppler nếu vật cản nói trên chuyển động. Lượng tần số thay đổi (fD) phụ thuộc vào tốc độ di chuyển (v) của vật cản so với TDWR.

fD = (2.v.cosα)/λ           

λ: Chiều dài của bước sóng cao tần.

α: Góc giữa hướng của tín hiệu phát/phản xạ với hướng chuyển động của vật cản.

Với việc xác định được lượng tần số thay đổi fD, người ta có thể xác định được tốc độ và hướng di chuyển của vật cản, tức là đồng nghĩa với việc biết được tốc độ và hướng di chuyển của gió, do đó xác định được những sự thay đổi đột ngột về vận tốc và/hoặc hướng gió tại vị trí có vật cản (hiện tượng gió đứt) nếu có.

Nhiệm vụ của TDWR là phát hiện cung cấp các thông tin về các hiện tượng thời tiết tại khu vực đường băng và khu vực trung tận của một sân bay. Do đó, khi đầu tư TDWR người ta phải tính toán kỹ các yếu tố để lựa chọn vị trí lắp đặt TDWR tối ưu sao cho nó có thể giám sát được các hiện tượng thời tiết trong khu vực tiếp cận và hành lang bay của các chuyến bay đến và đi khỏi sân bay. Các TDWR hiện nay có thể sử dụng anten có góc ngẩng âm để phát hiện gió đứt ở độ cao so với mặt đất rất thấp.

 Hệ thống thiết bị TDWR

3. Doppler LIDAR (Light Detection and Ranging)

Về nguyên lý hoạt động Doppler LIDAR hoạt động tương tự như TDWR. LIDAR bức xạ các xung hồng ngoại hoặc laser ra ngoài không gian với chu kỳ lặp lại khoảng 500-750Hz. Tuy nhiên, có một điểm không giống với TDWR là LIDAR nhận tín hiệu phản xạ từ bụi hoặc các sol khí trong không gian. Sự thay đổi tần số của các tín hiệu phản xạ nói trên do hiệu ứng doppler, phản ánh sự thay đổi về hướng, tốc độ gió tại vị trí gây ra phản xạ tín hiệu. Cũng giống như TDWR, Doppler LIDAR dựa vào sự thay đổi của tần số tín hiệu phản xạ để xác định những sự thay đổi đột ngột về vận tốc và/hoặc hướng gió (hiện tượng gió đứt) trong khu vực quan sát. Doppler LIDAR hoạt động tốt nhất trong điều kiện khô ráo với sự hiện diện của các sol khí, tác nhân gây ra sự phản xạ của tín hiệu hồng ngoại hoặc laser. Doppler LIDAR có thể thực hiện quét giám sát khu vực hành lang tiếp cận và cất hạ cánh của sân bay với các độ cao khác nhau.

Hệ thống thiết bị Doppler LIDAR

4. Wind Urchin.

Wind Urchin là một máy đo gió đa chiều, đo được gió trong không gian 3 chiều. Wind Urchin được cấu tạo từ 64 ống pitot gắn cách đều nhau trên bề mặt một kiến trúc hình cầu bằng nhựa. Wind Urchin có thể lấy mẫu với tần số 3.000 Hz để cung cấp dữ liệu về hướng và tốc độ gió 3 chiều. Thiết kế độc đáo của Wind Urchin cho phép nó có khả năng đo gió đứt, nhiễu động tầng thấp. Wind Urchin có thể xuất dữ liệu ở đầu ra dưới dạng số hoặc tương tự để tích hợp vào hệ thống LLWAS. Việc tích hợp Wind Urchin vào LLWAS có thể tăng độ chính xác về tốc độ, hướng gió và sự xuất hiện của gió đứt tầng thấp.

 Wind Urchin

5. Wind Profiler.

Wind Profiler là thiết bị theo dõi và đo hướng và tốc độ gió trong một thể tích không gian phía trên anten của nó một cách liên tục bằng sóng vô tuyến. Wind Profiler có nguyên lý hoạt động tương đối giống TDWR, đó là dựa vào hiệu ứng doppler từ các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản để xác định vận tốc và hướng của các luồng gió trong thể tích không gian mà nó có nhiệm vụ theo dõi. Wind Profiler sử dụng anten tạo ra 3 hoặc 5 búp sóng để phát các xung năng lượng cao tần vào không gian.

Nguyên lý hệ thống Wind Profiler 3 búp sóng

Trường hợp hệ thống sử dụng anten 3 búp sóng thì búp sóng số 1 có trục chính nằm vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Búp sóng số 2 nằm nghiêng với búp sóng số 1và có trục chính nằm trong mặt phẳng tạo bởi đường thẳng chỉ hướng Bắc và đường trục chính của búp sóng số 1. Búp sóng số 3 nằm nghiêng với búp sóng số 1và có trục chính nằm trong mặt phẳng tạo bởi đường thẳng chỉ hướng Đông (hoặc Tây) và đường trục chính của búp sóng số 1.

Nguyên lý hệ thống Wind Profiler 5 búp sóng

Trường hợp hệ thống sử dụng anten 5 búp sóng thì búp sóng số 1 có trục chính nằm vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Búp sóng số 2, 3, 4, 5 nằm nghiêng với búp sóng số 1và có trục chính nằm trong các mặt phẳng tạo bởi các đường thẳng chỉ hướng Bắc – Nam và Đông Tây với đường trục chính của búp sóng số 1.

Wind Profiler phát các xung năng lượng cao tần vô tuyến vào không gian qua các búp sóng của anten. Các xung năng lượng cao tần gặp phải các vật thể trong không gian sẽ phản xạ một phần năng lượng về anten. Tần số của tín hiệu phản xạ sẽ bị thay đổi theo hiệu ứng doppler nếu các vật thể nói trên chuyển động. Từ tần số doppler của các tín hiệu phản xạ vệ, hệ thống Wind Profiler tính toán và biết được tốc độ, hướng chuyển động của các đám mây giông, do đó nó có thể phát hiện được gió đứt trong điều kiện thời tiết có mưa giông.

                                                                             NT