Ứng dụng công nghệ LIDAR trong dự báo và phát hiện gió đứt tầng thấp

Trong ngành hàng không, gió đứt tầng thấp (Low-level Windshear) là một hiện tượng nguy hiểm đối với hoạt động bay, đặc biệt trong các giai đoạn cất cánh và hạ cánh của máy bay. Để đối phó với hiểm họa này, công nghệ LiDAR (Light Detection and Ranging - Phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng) đã ra đời như một "trợ thủ đắc lực", giúp các dự báo viên và phi công nhận diện sớm những nguy cơ mà mắt thường và radar truyền thống không thể nhìn thấy.

Hiểm họa từ gió đứt tầng thấp và Microburst

Gió đứt tầng thấp là sự thay đổi đột ngột về tốc độ hoặc hướng gió trong một khoảng cách rất ngắn ở tầng thấp của khí quyển (thường dưới 500 m), gây ra mối nguy hiểm đặc biệt đối với hoạt động cất hạ cánh của máy bay. Trong đó, nguy hiểm nhất là hiện tượng Microburst - một cột khí giáng mạnh từ trên cao xuống mặt đất rồi tỏa ra xung quanh với cường độ lớn. Khi máy bay bay qua vùng có Microburst, nó sẽ lần lượt chịu tác động của ba giai đoạn nguy hiểm: đầu tiên là gió ngược làm tăng lực nâng khiến máy bay vọt lên cao hơn quỹ đạo hạ cánh lý tưởng; tiếp theo là dòng giáng mạnh từ trên cao đẩy máy bay xuống thấp; và cuối cùng là gió xuôi làm lực nâng suy giảm nhanh chóng, khiến máy bay có xu hướng rơi tự do về phía đường băng. Nếu không được cảnh báo kịp thời, tổ lái rất khó xử lý trong thời gian ngắn, dễ dẫn đến các tai nạn nghiêm trọng, đặc biệt trong giai đoạn cất cánh và hạ cánh.

Nguyên lý của LiDAR

Từ lâu, radar thời tiết đã được sử dụng hiệu quả trong việc phát hiện mưa và các hệ thống bão. Tuy nhiên, hạn chế lớn của radar là nguyên lý hoạt động dựa trên sự phản xạ sóng vô tuyến từ các hạt nước như mưa hay tuyết, nên trong điều kiện trời quang, không có giáng thủy, radar gần như “mù” trước các hiện tượng gió đứt nguy hiểm. Khắc phục điểm yếu này, công nghệ LiDAR hoạt động bằng cách phát ra các xung tia laser ngắn vào khí quyển. Tín hiệu phát xạ là chùm tia laser được truyền đi, sau đó các hạt sol khí (aerosol) như bụi, tro, tinh thể muối hay các giọt nước rất nhỏ trong mây và sương mù sẽ phản xạ lại tạo thành tín hiệu phản hồi. Dựa trên sự thay đổi tần số của tín hiệu phản hồi theo hiệu ứng Doppler, LiDAR có thể xác định được thành phần vận tốc hướng tâm (Vr), tức là tốc độ gió theo phương của chùm tia laser, qua đó cho phép phát hiện sớm và chính xác các vùng gió đứt ngay cả khi không có mưa.

LiDAR mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong quan trắc khí tượng tại khu vực sân bay, đặc biệt trong việc giám sát gió tầng thấp. Trước hết, thiết bị này có độ phân giải cao, cho phép cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc và biến thiên của trường gió trong không gian và thời gian. Bên cạnh đó, LiDAR có khả năng cảnh báo sớm các hiện tượng gió đứt (windshear) và nhiễu động ngay cả trong điều kiện trời quang, khi các hệ thống radar truyền thống không phát hiện được. Nhờ những thông tin chính xác và kịp thời này, LiDAR góp phần quan trọng trong việc nâng cao an toàn bay, hỗ trợ kiểm soát viên không lưu và phi công đưa ra quyết định điều hành, cất hạ cánh một cách an toàn và hiệu quả.

Hiện nay, tại các Cảng hàng không quốc tế lớn của Việt Nam, cùng với việc triển khai Hệ thống cảnh báo gió đứt tầng thấp (LLWAS) (Hệ thống sử dụng mạng lưới các cảm biến siêu âm đo gió bề mặt, cho phép phát hiện sự thay đổi đột ngột của dòng khí dọc theo đường cất hạ cánh), Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam (VATM) đã đưa vào vận hành hệ thống LiDAR tại sân bay Nội Bài và Tân Sơn Nhất để khắc phục điểm yếu của Radar Doppler truyền thống vốn chỉ hiệu quả trong điều kiện có mưa (gió đứt ướt). 

Ứng dụng LiDAR trong điều hành an toàn bay

Trong lịch sử đã từng ghi nhận vào lúc 06:53 ngày 06/11/2023, hệ thống quan trắc tại sân bay Nội Bài ghi nhận điều kiện khí tượng nguy hiểm với cảnh báo đỏ trên toàn bộ các đầu đường băng (11L/R và 29L/R). Cụ thể, tại khu vực khởi hành đường băng 11R (11RD), thiết bị đã phát hiện hiện tượng gió đứt (WSA) với mức độ mạnh (S), gây ra sự tăng tốc đột ngột lên tới trên 17 knots (17KT+). Việc ứng dụng thiết bị này đóng vai trò quyết định trong việc chủ động nhận diện các biến động thời tiết bất ngờ, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tàu bay trong các giai đoạn nhạy cảm như cất và hạ cánh.

Màn hình giám sát hiển thị cảnh báo đỏ cho tất cả các đầu đường băng (11R, 11L, 29R, 29L).
Việc đưa các thiết bị quan trắc hiện đại như LiDAR hay Radar Doppler vào vận hành chỉ là bước khởi đầu trong lộ trình số hóa toàn diện ngành khí tượng hàng không của VATM. Mục tiêu không chỉ dừng lại ở việc "phát hiện" hiện tượng mà là "dự báo sớm" và "tối ưu hóa" dòng dữ liệu để phục vụ điều hành bay một cách chủ động.

Trọng tâm của chiến lược này chính là sự phối hợp đa nền tảng giữa dữ liệu quan trắc thực tế và các mô hình Dự báo thời tiết số (NWP) độ phân giải cao. Bằng cách tích hợp dữ liệu từ LiDAR vào các mô hình NWP, hệ thống có thể tạo ra các kịch bản mô phỏng dòng khí chính xác đến từng khu vực nhỏ quanh sân bay. Đặc biệt, việc ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ đóng vai trò "bộ não" phân tích các dữ liệu lịch sử khổng lồ. AI có khả năng nhận diện các dấu hiệu sớm của gió đứt ngay từ khi chúng chưa hình thành rõ rệt, từ đó đưa ra các cảnh báo sớm với độ tin cậy cao hơn, giảm thiểu tối đa các báo động giả.

Sự kết hợp đột phá này sẽ là nền tảng vững chắc để nâng cao hiệu quả của quy trình ra quyết định phối hợp tại sân bay (A-CDM) và Quản lý luồng không lưu (ATFM). Khi thông tin về gió đứt được dự báo chính xác theo từng mốc thời gian, các bên liên quan từ hãng hàng không, đơn vị quản lý bay đến cảng hàng không có thể chủ động lập kế hoạch giãn cách chuyến bay hoặc điều chỉnh luồng lưu thông từ sớm.

Khánh My