Chiếc gầu lật biến giọt mưa thành số đo ra sao?

Hai trận mưa có thể để lại cùng một lượng nước nhưng gây ra những tình huống rất khác nhau. Mưa dồn trong vài phút có thể làm nước chảy nhanh trên mặt đất; cùng lượng mưa rơi rải rác nhiều giờ cho bức tranh khác. Một máy đo mưa tự động có thể ghi lại cả tổng lượng mưa lẫn thời điểm nước đến, nhờ một cơ cấu nhỏ hoạt động giống chiếc bập bênh.

Cơ cấu đó được gọi là gầu lật. Nó biến dòng nước đi qua một cái phễu thành từng lần lật có thể đếm được. Từ số lần lật và thời gian giữa chúng, trạm quan trắc tính ra lượng mưa. Cách làm đơn giản này cũng giải thích vì sao máy có thể bỏ sót mưa rất nhỏ hoặc đo lệch trong mưa lớn.

Một lần lật tương ứng với bao nhiêu nước?

Ở miệng máy là một phễu có diện tích hứng xác định. Nước từ phễu chảy vào một trong hai ngăn nhỏ của chiếc gầu. Khi ngăn đang hứng đủ nước, trọng lượng làm cơ cấu nghiêng sang bên kia. Ngăn đầy đổ nước đi và ngăn còn lại chuyển vào vị trí hứng. Một bộ phận ghi nhận lần lật và chuyển nó thành tín hiệu cho bộ lưu dữ liệu.

Điều trạm cần báo không phải số mililít trong một ngăn, mà là độ sâu lớp nước tương ứng nếu lượng mưa rơi đều trên diện tích miệng hứng. Một milimét mưa tương đương một lít nước trên mỗi mét vuông. Đây là phép quy đổi hình học; một dụng cụ có miệng hứng nhỏ chỉ cần thu một phần thể tích đó để đo cùng độ sâu mưa.

Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ mô tả một thiết bị trong hệ thống quan trắc của họ có mức điển hình 0,01 inch mưa mỗi lần lật. Đổi đơn vị, con số này là 0,254 mm. Đó là thông số của một cấu hình được nêu trong tài liệu, không phải mức mặc định của mọi máy. Nếu thiết bị dùng ngưỡng khác, bộ ghi phải dùng đúng hệ số tương ứng.

Đếm bao nhiêu lần khác với đo mưa nhanh tới đâu

Giả sử một máy có hệ số 0,2 mm mỗi lần lật. Nếu ghi 15 lần lật trong 10 phút, lượng mưa suy ra trong thời đoạn ấy là 3 mm. Quy đổi tốc độ trung bình của 10 phút đó sang đơn vị theo giờ cho kết quả 18 mm/giờ. Con số 18 diễn tả tốc độ, không phải lượng nước đã rơi trong một giờ thực tế.

Sự khác biệt này quan trọng khi đọc bảng điều khiển. Một ô hiện “18 mm/giờ” không nói rằng máy đã hứng đủ 18 mm. Nó cho biết mức mưa trung bình trong một cửa sổ đo, biểu diễn theo cùng đơn vị để dễ so sánh. Muốn biết tổng cả trận, cần cộng các lần lật trong toàn bộ thời đoạn hoặc đọc trực tiếp trường lượng mưa tích lũy.

Cửa sổ tính càng ngắn, mỗi lần lật càng có ảnh hưởng lớn tới tốc độ hiển thị. Một lần lật nằm ngay trước hay sau ranh giới phút có thể làm hai cột liền kề khác nhau đáng kể. Nhìn thêm tổng mưa trong một khoảng dài hơn giúp hiểu xu hướng mà không nhầm những bước nhảy của cơ cấu đếm với sự thay đổi chính xác của cơn mưa.

Mưa nhẹ và mưa lớn tạo ra hai kiểu sai lệch

Khi mưa lất phất, nước có thể nằm trong ngăn mà chưa đủ làm gầu lật. Trong khoảng ấy, bộ ghi chưa nhận tín hiệu, dù có nước rơi vào phễu. Khi ngăn cuối cùng đầy, thiết bị ghi một lần lật tại thời điểm đạt ngưỡng, chứ không ghi lại chính xác lúc từng giọt đã vào ngăn.

Khi mưa rất mạnh, vấn đề khác xuất hiện. Gầu cần một khoảng thời gian hữu hạn để chuyển vị trí, trong khi nước vẫn tiếp tục chảy xuống. Phần nước đi vào trong lúc cơ cấu đang chuyển động có thể không được phản ánh đúng bằng một lượng cố định cho mỗi lần lật. Hướng dẫn đo khí tượng của WMO mô tả đây là một nguồn sai số, đặc biệt ở cường độ cao.

Nhà sản xuất hoặc mạng quan trắc có thể áp dụng hiệu chuẩn và cách xử lý phù hợp với thiết bị. Vì vậy, không nên lấy một tỷ lệ bù sai số của mẫu máy này áp cho mẫu máy khác. Nếu bản ghi có vai trò quan trọng trong đánh giá một trận mưa lớn, cần biết máy đã được kiểm tra trong dải cường độ nào và dữ liệu đã qua xử lý gì.

Vị trí đặt máy quyết định nước nào đi vào phễu

Ngay cả khi gầu đếm đúng, miệng hứng vẫn có thể nhận lượng nước khác với lượng mưa đại diện cho khu vực. Cây hoặc công trình có thể che mưa ở một số hướng. Nước chảy từ mái xuống có thể làm số đo tăng bất thường. Một điểm đặt có gió mạnh cũng làm các giọt đi qua miệng hứng theo cách khác với điều kiện hiệu chuẩn.

Trong vận hành, cần giữ phễu thông thoáng, kiểm tra máy có còn cân bằng và theo dõi các đoạn mất dữ liệu. Một chiếc lá chặn đường nước có thể tạo ra một chuỗi số không kéo dài trong khi các trạm xung quanh đang ghi mưa. Mất kết nối cũng có thể khiến giao diện không hiện dữ liệu dù bộ ghi tại trạm vẫn hoạt động. Vì vậy, cần phân biệt số không đo được với số đo bằng không.

Với một nông trại hay lưu vực, máy gầu lật giúp biết nước tới một điểm vào lúc nào. Số đo có giá trị nhất khi người dùng hiểu hệ số mỗi lần lật, khoảng thời gian tổng hợp và điều kiện đặt máy. Khi đó, biểu đồ mưa kể được câu chuyện có ích hơn một con số tổng: nước đến dồn dập hay từ từ, và kết quả đáng tin cậy đến đâu ở từng thời đoạn.

Nguồn tham khảo

NWS: cơ cấu gầu lật; WMO: hướng dẫn đo lượng mưa; NWS: thiết bị quan trắc mưa

Ảnh tư liệu bên trong gầu lật tại Cambridge Bay, 2005, CambridgeBayWeather; tác giả đưa vào phạm vi công cộng, dùng nguyên bản; trang ảnh gốc.