Ảnh mây vệ tinh khí tượng là những bức ảnh chụp Trái Đất từ quỹ đạo theo nhiều kênh khác nhau; kênh nhìn thấy cho biết mây dày mỏng ban ngày, kênh hồng ngoại cho biết đỉnh mây cao hay thấp cả ngày lẫn đêm, kênh hơi nước cho thấy dòng ẩm trên cao. AI đang được dùng để đọc khối dữ liệu khổng lồ này nhanh hơn: nhận diện mây dông đang phát triển, ước lượng mưa, ước tính cường độ bão.
Với vùng biển rộng như Biển Đông, nơi gần như không có trạm đo, vệ tinh là con mắt quan trọng nhất. Bài này giúp bạn hiểu những ảnh mây hay xuất hiện trong bản tin và trên mạng, phân biệt các loại vệ tinh, biết AI đang làm gì với dữ liệu vệ tinh, và nhận ra giới hạn khi chỉ nhìn ảnh mây mà đoán thời tiết.
Hai loại vệ tinh khí tượng: đứng yên và bay quanh cực
Vệ tinh địa tĩnh bay ở độ cao khoảng ba mươi sáu nghìn km trên xích đạo, quay cùng tốc độ với Trái Đất nên luôn "đứng" trên một vùng cố định. Nhờ vậy nó chụp liên tục cùng một khu vực, cách nhau chỉ vài phút đến mười phút. Vùng Đông Nam Á được theo dõi chủ yếu bởi dòng vệ tinh Himawari của Nhật Bản. Ảnh động mây chuyển động mà bạn thấy trong bản tin thường là chuỗi ảnh từ loại vệ tinh này.
Vệ tinh quỹ đạo cực bay thấp hơn nhiều, vài trăm đến hơn tám trăm km, đi vòng từ cực này sang cực kia. Mỗi lần bay qua nó chỉ chụp một dải, và phải sau một khoảng thời gian mới quay lại cùng nơi. Bù lại, vì ở gần, nó mang được các thiết bị đo chi tiết như máy đo vi sóng nhìn xuyên qua mây để ước lượng mưa và cấu trúc bên trong cơn bão, hay máy đo nhiệt độ và độ ẩm theo từng tầng khí quyển.
Dữ liệu của cả hai loại đều được đưa vào mô hình dự báo số qua khâu đồng hoá số liệu. Ở các vùng biển và vùng núi thiếu trạm, phần đóng góp của vệ tinh cho chất lượng dự báo là rất lớn.
Các kênh ảnh thường gặp và cách hiểu
Mỗi kênh đo bức xạ ở một bước sóng khác nhau, nên cho ta biết những điều khác nhau về mây và khí quyển.
| Kênh ảnh | Đo cái gì | Đọc thế nào | Giới hạn |
|---|---|---|---|
| Kênh nhìn thấy | Ánh sáng mặt trời phản xạ từ mây và mặt đất | Mây dày phản xạ mạnh nên trắng sáng, mây mỏng mờ hơn | Chỉ dùng được ban ngày |
| Kênh hồng ngoại | Bức xạ nhiệt phát ra từ đỉnh mây hoặc mặt đất | Đỉnh mây càng lạnh tức là càng cao; mây dông phát triển mạnh có đỉnh rất lạnh | Mây thấp và sương mù có nhiệt độ gần mặt đất nên khó phân biệt |
| Kênh hơi nước | Hơi nước ở tầng giữa và trên của khí quyển | Thấy dòng ẩm, vùng khô, các rãnh và xoáy trên cao dù không có mây | Không thấy hơi ẩm ở tầng thấp gần mặt đất |
| Ảnh tổ hợp màu | Ghép nhiều kênh theo công thức | Phân biệt mây băng, mây nước, bụi, khói, sương mù | Cần học quy ước màu của từng loại tổ hợp |
Trên ảnh hồng ngoại đã tô màu, các vùng màu đậm đặc biệt thường là đỉnh mây rất lạnh, dấu hiệu của đối lưu mạnh. Nhưng đỉnh mây cao không đồng nghĩa với mưa to ngay bên dưới; có những lớp mây ti dày lan rộng từ đỉnh dông mà dưới đó không mưa.
Đọc một ảnh mây vệ tinh cho đúng mức
Khi xem ảnh vệ tinh trong bản tin bão, bạn sẽ thấy một khối mây xoáy, có khi có mắt bão rõ ở giữa. Mắt bão rõ, tròn, bao quanh bởi vòng mây đỉnh rất lạnh thường là dấu hiệu bão mạnh và có tổ chức tốt. Khối mây lệch hẳn sang một phía, tâm lộ ra ngoài, thường cho thấy bão đang chịu gió đứt mạnh và có xu hướng suy yếu. Đây là những quan sát định tính; con số cường độ do dự báo viên ước lượng bằng phương pháp chuyên môn.
Với mây dông mùa hè, ảnh vệ tinh động cho thấy các đám mây nhỏ lớn dần, đỉnh lạnh dần trong vòng một hai giờ. Đây là giai đoạn mây đang phát triển, trước khi mưa xuất hiện rõ trên radar. Người làm dự báo dùng tín hiệu này để cảnh báo sớm dông.
Điều nên tránh là nhìn một ảnh mây rồi tự kết luận "khu vực này sắp mưa to" hoặc "bão sắp vào chỗ này". Ảnh vệ tinh cho thấy trạng thái lúc chụp, không tự nói được diễn biến tiếp theo. Mây trông dày có thể không mưa, trời trông quang có thể dông nảy sinh sau một giờ. Hãy dùng ảnh mây để hiểu bản tin, không để thay bản tin.
AI đang làm gì với dữ liệu vệ tinh
Phát hiện mây dông đang hình thành. Mô hình học máy được huấn luyện trên chuỗi ảnh vệ tinh và dữ liệu radar, sét, để nhận ra các đám mây có dấu hiệu sắp phát triển thành dông, giúp cảnh báo sớm hơn ở vùng radar không phủ tới.
Ước lượng mưa ở nơi không có radar. Trên biển và vùng núi hẻo lánh, AI kết hợp nhiều kênh vệ tinh để ước lượng cường độ mưa, đối chiếu với trạm đo ở nơi có trạm để hiệu chỉnh.
Ước tính cường độ bão. Từ lâu, dự báo viên ước tính cường độ bão bằng cách nhận dạng hình mẫu mây theo phương pháp Dvorak. Nhiều nghiên cứu dùng AI để tự động hoá việc nhận dạng này, làm một nguồn tham khảo khách quan bên cạnh đánh giá của con người.
Phân loại mây, phát hiện sương mù và khói. Thuật toán học máy phân loại từng điểm ảnh là mây gì, sương mù hay khói cháy rừng, hữu ích cho hàng không, giao thông và theo dõi cháy.
Đưa dữ liệu vệ tinh vào mô hình nhanh hơn. Một số hướng nghiên cứu dùng AI để xử lý trước hoặc thay một phần khâu đồng hoá dữ liệu vệ tinh vốn rất tốn tính toán.
Dữ liệu vệ tinh đi vào mô hình dự báo ra sao
Ảnh mây bạn xem trên bản tin chỉ là một phần nhỏ. Phần lớn giá trị của vệ tinh nằm ở dữ liệu đo bức xạ được đưa thẳng vào mô hình dự báo số. Vệ tinh không đo trực tiếp nhiệt độ hay độ ẩm; nó đo lượng bức xạ ở từng bước sóng, và mô hình phải dùng các công thức vật lý để suy ngược ra trạng thái khí quyển nào sẽ tạo ra lượng bức xạ đó.
Khâu này gọi là đồng hoá số liệu: kết hợp dự báo trước đó của mô hình với hàng triệu quan trắc mới, gồm cả quan trắc vệ tinh, để dựng nên trạng thái ban đầu tốt nhất cho lần chạy tiếp theo. Dữ liệu vệ tinh ở vùng có mây và mưa đặc biệt khó dùng, vì mây làm tín hiệu phức tạp hơn nhiều. Trong nhiều năm, các trung tâm dự báo phải bỏ bớt dữ liệu ở vùng mây dày, đúng nơi thời tiết đang diễn biến mạnh.
AI đang được thử ở nhiều chỗ trong chuỗi này: lọc và hiệu chỉnh sai số của từng thiết bị đo, tính nhanh phép chuyển từ trạng thái khí quyển sang bức xạ, thậm chí học trực tiếp từ quan trắc vệ tinh thay vì qua dữ liệu tái phân tích. Nếu những hướng này thành công, mô hình dự báo, dù là số hay AI, sẽ khai thác được nhiều hơn những gì vệ tinh đã đo mà hiện còn bỏ phí.
Giới hạn của vệ tinh và của AI đọc vệ tinh
Vệ tinh nhìn từ trên xuống, nên với kênh nhìn thấy và hồng ngoại nó chủ yếu thấy đỉnh mây, không thấy trực tiếp trong mây có gì. Mây tầng thấp bị che bởi mây tầng cao. Sương mù ban đêm và mây thấp có nhiệt độ gần mặt đất nên dễ lẫn. Mưa ước lượng từ vệ tinh còn sai số đáng kể, đặc biệt với mưa địa hình ở vùng núi, nơi mưa rất to có thể đến từ mây không quá cao.
AI học từ dữ liệu quá khứ nên chất lượng phụ thuộc vào việc có đủ dữ liệu đối chiếu tốt hay không. Ở những nơi thiếu trạm đo mưa và radar, chính việc huấn luyện và kiểm chứng cũng khó, nên kết quả có thể kém hơn nơi có mạng lưới dày.
Thêm một lưu ý về các sản phẩm tự động: khi một trang mạng hiển thị "vùng mưa lớn" tô màu từ vệ tinh, đó là ước lượng chưa qua dự báo viên. Nó hữu ích để xem tổng thể, nhưng không thay thế cảnh báo chính thức về mưa lớn, lũ quét, sạt lở.
Tự tập đọc ảnh mây vệ tinh với sự hỗ trợ của AI
Nếu bạn là giáo viên, sinh viên hay người tò mò muốn hiểu ảnh mây, có thể tự học theo trình tự sau, dùng chatbot làm người giảng giải chứ không làm người dự báo.
- Mỗi ngày chọn một giờ cố định, xem ảnh vệ tinh hồng ngoại và ảnh nhìn thấy của khu vực Việt Nam từ nguồn chính thức, ghi lại nhận xét bằng lời của mình.
- Đối chiếu với thời tiết thực tế bạn thấy hôm đó và với bản tin dự báo, xem nhận xét nào đúng, nhận xét nào sai.
- Khi gặp hình dạng lạ, mô tả bằng lời cho chatbot và hỏi: "Một vùng mây hình dải dài, đỉnh lạnh, kéo từ tây nam lên đông bắc trên ảnh hồng ngoại thường có thể là những hệ thống thời tiết nào; nêu các khả năng và cách phân biệt." Coi câu trả lời là gợi ý để tra tiếp.
- Tra lại các khả năng đó trong tài liệu phổ biến kiến thức của cơ quan khí tượng hoặc giáo trình khí tượng.
- Sau vài tuần, so sánh ảnh của những ngày có không khí lạnh, ngày có dông chiều, ngày có bão để thấy sự khác nhau.
Cách học này phù hợp với lớp học có học sinh lớn. Với trẻ nhỏ, chỉ cần cho các em quan sát mây trên trời và so với ảnh vệ tinh, không cần thuật ngữ.
Câu hỏi thường gặp
Ảnh vệ tinh thời tiết được cập nhật bao lâu một lần?
Với vệ tinh địa tĩnh theo dõi khu vực Việt Nam, ảnh toàn cảnh thường cập nhật khoảng mười phút một lần, một số vùng nhỏ được chụp dày hơn. Vệ tinh quỹ đạo cực chỉ qua một nơi vài lần mỗi ngày nhưng đo được chi tiết hơn.
Vì sao ảnh vệ tinh ban đêm vẫn thấy mây?
Ban đêm, kênh nhìn thấy không dùng được vì không có ánh sáng mặt trời, nhưng kênh hồng ngoại đo bức xạ nhiệt do mây và mặt đất phát ra nên vẫn hoạt động. Ảnh mây ban đêm trong bản tin thường là ảnh hồng ngoại.
Nhìn ảnh vệ tinh có biết chỗ nào đang mưa không?
Chỉ ước lượng được. Đỉnh mây rất lạnh thường liên quan đến đối lưu mạnh và mưa, nhưng không phải chỗ nào mây dày cũng mưa, và mưa địa hình có thể đến từ mây không cao. Radar và trạm đo mưa cho biết chính xác hơn.
AI có thay được dự báo viên đọc ảnh vệ tinh không?
AI đọc nhanh và nhất quán, giúp xử lý khối dữ liệu rất lớn và cảnh báo sớm một số hiện tượng. Nhưng việc tổng hợp với các nguồn khác, đánh giá tình huống bất thường và chịu trách nhiệm về bản tin vẫn thuộc về dự báo viên.
Vệ tinh có đo được nhiệt độ ngoài trời chỗ bạn ở không?
Vệ tinh đo được nhiệt độ bề mặt đất và nhiệt độ các tầng khí quyển ở độ phân giải nhất định, nhưng nhiệt độ không khí ở độ cao đầu người, thứ bạn cảm thấy, chủ yếu đến từ trạm quan trắc mặt đất và mô hình.
Có nên tự đoán đường đi của bão từ ảnh vệ tinh động không?
Không nên dựa vào đó để ra quyết định. Bão có thể đổi hướng hoặc đổi tốc độ, và hình dạng mây có thể gây hiểu nhầm về vị trí tâm. Hãy dùng ảnh để hiểu bản tin, còn hướng đi và vùng ảnh hưởng theo thông tin chính thức.