Phụ lục A.1. Phân bố theo thời gian của mưa lớn gắn với NOAA Atlas 14 – Tập 1

Mục lục

1. Giới thiệu
2. Phương pháp
3. Diễn giải kết quả
4. Ứng dụng kết quả
5. Tóm tắt và nhận định chung

Cập nhật ấn bản (31/03/2011). NOAA Atlas 14 Tập 6 thay thế Tập 1 cho các ước lượng tần suất mưa ở đông nam California. Xem tài liệu Tập 6 để biết dữ liệu và phương pháp cho California.

1. Giới thiệu

Phân bố theo thời gian của mưa lớn được cung cấp để dùng cùng với các ước lượng tần suất mưa của Atlas 14 Tập 1 cho các thời đoạn 6, 12, 24 và 96 giờ bao phủ vùng bán khô hạn tây nam Hoa Kỳ. Các phân bố được biểu diễn theo xác suất dưới dạng phần trăm tích lũy của lượng mưa tại các phân vị thời gian khác nhau. Thời điểm bắt đầu của tích lũy mưa được định nghĩa giống như trong phần ước lượng tần suất để bảo đảm nhất quán.

Khu vực dự án được chia làm hai vùng con dựa trên tính mùa vụ của các trận mưa lớn quan trắc (Hình A.1.1 cho thấy ranh giới vùng dùng cho các phân bố thời gian). Phân bố theo thời gian cho từng thời đoạn được trình bày ở Hình A.1.2 và A.1.3. Dữ liệu còn được chia thành 4 quý thời gian (quartile) theo vị trí phần mưa lớn nhất xuất hiện trong chuỗi tích lũy, nhằm cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về sự khác nhau của hình dạng phân bố. Hình A.1.4 đến A.1.11 thể hiện các phân bố cho từng quý ở 4 thời đoạn.

Các đường cong số (dạng số hóa) của phân bố theo thời gian có tại: http://hdsc.nws.noaa.gov/hdsc/pfds/pfds_temporal.html. Bảng A.1.1 liệt kê số lượng và tỷ lệ trường hợp thuộc từng quý theo thời đoạn và vùng.

2. Phương pháp

Dự án chủ yếu theo phương pháp của Illinois State Water Survey (Huff, 1990), ngoại trừ định nghĩa về tích lũy lượng mưa. Ở đây, tích lũy được tính cho các khoảng thời gian cố định (6, 12, 24, 96 giờ) thay vì cho một trận mưa, để phù hợp với cách định nghĩa thời đoạn trong dự án ước lượng tần suất. Vì thế, một trường hợp tích lũy có thể chứa một phần của một hoặc nhiều trận mưa. Việc tính tích lũy trượt từ sớm đến muộn theo thời gian, nên so với phân bố dựa trên một trận mưa đơn lẻ, kết quả có xu hướng thiên về “đầu–mạnh” (front-loaded) như mong đợi.

Hai vùng Mưa tổng quát (General Precipitation Area) và Mưa đối lưu (Convective Precipitation Area) (Hình A.1.1) được xác định theo các tiêu chí trong các nghiên cứu trước (Gifford et al., 1967; NOAA, 1989), gồm mùa xuất hiện cực trị và loại hình tác nhân mưa. Các cực trị trong vùng Mưa tổng quát chủ yếu xảy ra vào mùa lạnh, còn trong vùng Mưa đối lưu xảy ra vào mùa ấm.

Với mỗi trạm đo mưa trong vùng dự án có ghi mưa ít nhất mỗi giờ một lần, chọn ba giá trị tích lũy lớn nhất cho từng thời đoạn 6, 12, 24, 96 giờ trong kỳ số liệu và cho từng vùng. Áp dụng một ngưỡng tối thiểu để bảo đảm chỉ lấy sự kiện mưa lớn; cụ thể, ARI 2 năm tại mỗi trạm cho mỗi thời đoạn được dùng làm ngưỡng tối thiểu.

Đã thử dùng ngưỡng tối thiểu ARI 25 năm. Kết quả cho thấy nó tương tự như khi dùng ngưỡng tối thiểu ARI 2 năm. Tuy nhiên, ngưỡng 25 năm không được chọn vì làm giảm số mẫu đủ nhiều, gây lo ngại về tính ổn định của các ước lượng.

Mỗi trường hợp tích lũy được chuyển thành: (1) tỷ số giữa lượng mưa tích lũy theo giờ và tổng lượng mưa của thời đoạn đó, và (2) tỷ số giữa thời gian tích lũy và tổng thời gian. Vì thế, giá trị cuối cùng của các tỷ số tổng hợp luôn bằng 100%.

Trong Vùng Mưa tổng quát, và riêng trong Vùng Mưa đối lưu, dữ liệu được gộp lại; tại mỗi bước thời gian tính các thập phân vị (deciles) tích lũy của lượng mưa, rồi vẽ đồ thị để tạo Hình A.1.2 và A.1.3. Dữ liệu cũng được chia nhóm theo quý (quartile) — là quý mà tỷ lệ phần trăm lượng mưa lớn nhất của tổng lượng mưa xảy ra — và lặp lại quy trình cho từng nhóm quý để tạo các đồ thị trong Hình A.1.4 đến A.1.11.
Mỗi đường cong được làm mượt bằng kỹ thuật trung bình trượt có trọng số.

3. Diễn giải kết quả

Các Hình A.1.2 và A.1.3 trình bày đồ thị xác suất tích lũy của phân bố theo thời gian cho các thời đoạn 6, 12, 24 và 96 giờ ở Vùng Mưa tổng quát và Vùng Mưa đối lưu. Hình A.1.4–A.1.11 cho thông tin tương tự nhưng theo nhóm “quý” (quartile) nơi phần mưa lớn nhất xảy ra. Trục x: phần trăm thời gian tích lũy của thời đoạn; trục y: phần trăm lượng mưa tích lũy.

Dữ liệu trên đồ thị là trung bình của nhiều sự kiện, thể hiện xác suất tích lũy theo bước 10%. Ví dụ:

10% trường hợp có mưa tập trung sớm sẽ nằm trên–trái so với đường 10%.
Ở đầu kia, chỉ 10% trường hợp có phân bố rơi phải–dưới đường 90%—nghĩa là phần lớn mưa rơi về cuối thời đoạn.
Đường 50% biểu diễn phân bố trung vị.

Các đồ thị quý 1 gồm những trường hợp phần trăm mưa lớn nhất rơi trong ¼ đầu thời đoạn (ví dụ: 1,5 giờ đầu của khoảng 6 giờ; 3 giờ đầu của khoảng 12 giờ, …). Tương tự, đồ thị quý 2, 3, 4 là khi mưa lớn nhất rơi trong ¼ thứ hai, thứ ba, thứ tư của thời đoạn.

Khi thời đoạn tăng, độ trải (khoảng cách) giữa các đường 10% và 90% tăng → biến thiên lớn hơn. Thời đoạn dài hơn thường thu được nhiều hơn một đợt mưa ngăn cách bởi khoảng khô, tuy chưa kiểm định khách quan đây có phải nguyên nhân chính hay không. Độ dốc trung bình của các đường cong tăng dần theo thời đoạn. Với mọi thời đoạn và mọi quý, các trường hợp ở Vùng Mưa đối lưu có độ dốc lớn hơn so với Vùng Mưa tổng quát.

Ví dụ đọc kết quả (dựa Hình A.1.8a và Bảng A.1.1): Trong 1.728 trường hợp của Vùng Mưa tổng quát, có 630 sự kiện quý 1:

10% trong số này: 50% tổng mưa (trục y) rơi trong 1,5 giờ đầu (7,5% trên trục x). Đến giờ thứ 12 (50% trên trục x), toàn bộ mưa (100% trên trục y) đã rơi.
Trung vị kiểu này: rơi 50% tổng mưa sau 5,4 giờ (22,5% trên trục x).
90% sự kiện: 50% tổng mưa rơi trước 10,2 giờ (42,5% trên trục x).

4. Ứng dụng kết quả

Cần thận trọng khi sử dụng các dữ liệu này. Chúng được trình bày để cho thấy phạm vi khả dĩ — và phạm vi đó có thể rộng. Hãy dùng dữ liệu theo cách phù hợp mục tiêu của bạn.
Ví dụ, dù mọi trường hợp trong bộ dữ liệu đều giữ nguyên tổng lượng mưa, nhưng lưu lượng đỉnh tính ra có thể rất khác nhau. Nếu lưu lượng đỉnh là tiêu chí thiết kế quan trọng, nên chọn dạng phân bố theo thời gian có xu hướng tạo đỉnh cao hơn thay vì đơn thuần dùng trung vị (bách phân vị 50%). Ngoài ra, hãy cân nhắc dùng một trong các nhóm “quý” (quartile) thay vì dùng mẫu “tất cả các trường hợp”, nếu điều đó phù hợp hơn với bối cảnh của bạn.

5. Tóm tắt và nhận định chung

Các kết quả ở đây dùng để xác định phân bố theo thời gian của mưa lớn với thời đoạn, lượng mưa và mức xác suất cụ thể. Chúng được thiết kế để dùng kèm với ước lượng tần suất mưa, và không nhất thiết trùng với phân bố theo thời gian của một trận mưa đơn lẻ.

Đa số các trường hợp phân tích rơi vào quý 1 (bảng A.1.1), bất kể vùng mưa hay thời đoạn. Số trường hợp giảm dần ở các quý sau, trong đó quý 4 ít trường hợp nhất. Khi thời đoạn tăng, khoảng cách giữa các bách phân vị của các đường cong mở rộng hơn; đường trung vị cũng dốc hơn. Nhìn chung, trong Vùng Mưa đối lưu, các đường phân bố có độ dốc lớn hơn, nên biểu thị cường độ mưa ban đầu mạnh hơn so với Vùng Mưa tổng quát, bất kể thời đoạn.

Bảng A.1.1. Số lượng và tỷ lệ (%) trường hợp theo từng quý thời gian (quartile) cho mỗi thời đoạn và vùng phân bố thời gian – NOAA Atlas 14, Tập 1.

Vùng mưa đối lưu (Convective Precipitation Area)

Thời đoạn	Quý 1	Quý 2	Quý 3	Quý 4	Tổng số trường hợp
6 giờ	1 679 (52%)	744 (23%)	509 (16%)	284 (9%)	3 216
12 giờ	1 753 (51%)	769 (22%)	567 (17%)	354 (10%)	3 443
24 giờ	1 751 (50%)	645 (19%)	571 (17%)	492 (14%)	3 459
96 giờ	1 952 (63%)	707 (19%)	530 (14%)	527 (14%)	3 716

Vùng mưa tổng quát (General Precipitation Area)

Thời đoạn	Quý 1	Quý 2	Quý 3	Quý 4	Tổng số trường hợp
6 giờ	669 (36%)	471 (26%)	468 (25%)	243 (13%)	1 851
12 giờ	596 (33%)	465 (26%)	469 (26%)	277 (15%)	1 807
24 giờ	630 (36%)	442 (26%)	380 (22%)	276 (16%)	1 728
96 giờ	841 (46%)	376 (21%)	292 (16%)	320 (17%)	1 829