BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ
CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
TRẦN PHÚC HƯNG
HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ
TRẦN PHÚC HƯNG
CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
MÃ SỐ: 60440222
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN ANH
HÀ NỘI, NĂM 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Xuân Anh
Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Thanh Ngà
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Thái Thị Thanh Minh
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 22 tháng 9 năm 2018
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số
liệu LIDAR quan trắc xon khí” được hoàn thành tháng 8 năm 2018 tại trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và Viện Vật lý Địa cầu, để hoàn
thành nghiên cứu này tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ phía cơ quan,
nhà trường, gia đình và bạn bè.
Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn sát cánh và
động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và làm luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Anh đã truyền đạt những ý
tưởng khoa học, trực tiếp hướng dẫn để tác giả thực hiện và hoàn thiện luận
văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, truyền
đạt kiến thức cần thiết trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt nam đã tạo điều kiện về thời gian công tác, học hành, cung
cấp thiết bị LIDAR IGP để tác giả thực hiện các nghiên cứu trong luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới chương trình AERONET và dự án MPLNET
của cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã cũng cấp các nguồn
số liệu cho luận văn này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
sát cánh và giúp đỡ trong quá trình học tập, hoàn thiện luận văn này.
Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, vì vậy
những ý kiến đóng góp đều rất quý báu, tác giả rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp đó để có thể hoàn thiện luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!
LỜI CAM ĐOAN
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trần Phúc Hưng
MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU......................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC ................................................................ 3
1.1. LIDAR ........................................................................................................ 3
1.1.1. Kỹ thuật LIDAR ................................................................................... 3
1.1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR ............................................................. 3
1.1.3. Hệ thống LIDAR .................................................................................. 4
1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR ...................................................... 4
1.1.5. Phương trình LIDAR ............................................................................ 5
1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR . 6
1.2. Khí quyển và các thông số khí quyển ........................................................ 8
1.2.1. Cấu trúc của khí quyển ......................................................................... 8
1.2.2. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển .................................... 9
1.2.3. Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR ....................................... 10
i
1.2.4. Lớp biên hành tinh .............................................................................. 12
1.3. Xon khí ..................................................................................................... 13
1.3.1. Định nghĩa .......................................................................................... 13
1.3.2. Độ dày quang học xon khí .................................................................. 14
1.3.3. Các tác động của xon khí .................................................................... 15
1.3.4. Quan trắc xon khí bằng LIDAR ......................................................... 15
CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 17
2.1. Số liệu ....................................................................................................... 17
2.1.1. LIDAR ................................................................................................ 17
2.1.2. AERONET .......................................................................................... 23
2.1.3. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) ..................................... 25
2.1.4. Số liệu bóng thám không .................................................................... 26
2.2. Các phương pháp xác định các thông số khí quyển ................................. 27
2.2.1. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc ............................ 27
2.2.2. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm
biên ............................................................................................................ 28
2.2.3. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển ............................. 31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 34
3.1. Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR ............... 34
3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán .............................................. 34
3.1.2. Chương trình tính ............................................................................... 39
3.2. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể ................ 41
ii
3.2.1. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết
bị LIDAR IGP ................................................................................................. 41
3.2.2. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017 ...................... 48
3.2.3. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám
không ............................................................................................................ 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 52
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 54
PHỤ LỤC I ........................................................ Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC II ....................................................... Error! Bookmark not defined.
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Trần Phúc Hưng
Lớp: CH2B.K Khoá: II
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Anh
Tên đề tài: Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu
LIDAR quan trắc xon khí.
Tóm tắt: Luận văn này trình bày các bước xử lý số liệu LIDAR theo
phương pháp điểm biên (phương pháp Klett – Fernald) để tính toán các thông
số khí quyển như hệ số suy hao gây ra bởi xon khí hệ số tán xạ ngược xon
khí. Các đối tượng khác trong khí quyển như độ cao lớp biên, độ cao lớp xon
khí, sự phân bố của xon khí trong khí quyển sẽ được xác định và đánh giá dựa
trên các tín hiệu LIDAR được xử lý và các thông số khí quyển được tính toán.
iv
Hệ số suy hao tổng cộng
Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí
Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử
Hệ số tán xạ ngược tổng cộng
Hệ số tán xạ ngược xon khí
Hệ số tán xạ ngược phân tử
Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z
X(Z)
Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách tại khoảng cách Z
Năng lượng xung laser phát đi
Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị)
Tốc độ ánh sáng
Khoảng cách từ LIDAR tới mục tiêu
Độ truyền qua của khí quyển gây ra bởi xon khí
Độ truyền qua bởi khí quyển gây ra bởi phân tử
Độ dày quang học tại một bước sóng bất kỳ
Bước sóng
Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách
Tỉ số LIDAR đối với xon khí
TỈ số giữa suy hao và tán xạ phân tử
Mật độ
Bán kính hiệu quả
Albedo tán xạ đơn
thông số bất đối xứng
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
v
Hệ số Ångström
Nhiệt độ thế vị
vi
LIDAR
Light detection and aanging
RADAR
Radio Detection And Ranging
IPCC
Intergovernmental Panel on Climate Change
MPLNET
The NASA Micro-Pulse Lidar Network
EARLINET
The European Aerosol Research Lidar Network
AD-Net
the Asian dust and aerosol lidar observation network
international Network
for
the Detection of Atmospheric
NDACC LIDAR
The Composition Change
GALION
GAW Aerosol Lidar Observation Network
LITE
Lidar In-space Technology Experiment
CALIPSO
Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation
ADM Aeolus
Atmospheric Dynamics Mission Aeolus
CALIOP
Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization
AERONET
AErosol RObotic NETwork
ISA
International Standard Atmosphere
ISO
International Organization for Standardization
WCT
Wavelet Covariance Transform
PM10
Particulate matter 10 µm
PM2.5
Particulate matter 2.5 µm
AOD
Aerosol optical depth
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần của khí quyển không bị ô nhiễm [23] ............................ 8
Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại xon khí [25] ............................................. 13
Bảng 2.1 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............ 18
Bảng 2.2 Thông số về các chế độ đo ............................................................... 20
Bảng 2.3 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn ....................... 21
Bảng 2.4 Thông số Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............... 22
Bảng 2.5 Số liệu khí quyển tính từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA
......................................................................................................................... 26
Bảng 2.6 Số liệu thám không trạm 48820 [29] ............................................... 27
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5] ........................................................ 4
Hình 1.2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan
trắc được [5] ...................................................................................................... 5
Hình 1.3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện
trường (xanh dương) [24] .................................................................................. 9
Hình 2.1 Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............................ 18
Hình 2.2 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP ............................................. 20
Hình 2.3 Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............................... 22
Hình 2.4 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28]................................... 24
Hình 2.5 Thiết bị quang phổ kế AERONET ................................................... 25
Hình 2.6 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh
khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT ..................... 32
Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu ........................................................... 34
Hình 3.2 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi
loại bỏ nhiễu nền (màu cam) ........................................................................... 35
Hình 3.3 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng
cách .................................................................................................................. 37
Hình 3.4 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các tỉ số LIDAR Lp khác nhau
với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày
09/03/2018 ....................................................................................................... 38
ix
Hình 3.5 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các độ cao tham chiếu khác
nhau với Lp = 40sr, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 ............... 39
Hình 3.6 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu
chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/03/2018 (Giờ UTC) .......................... 42
Hình 3.7 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số
suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:21 ngày
09/03/2018. ...................................................................................................... 43
Hình 3.8 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018. ........ 43
Hình 3.9 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày
09/03/2018 ....................................................................................................... 44
Hình 3.10 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu
chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) .......................... 45
Hình 3.11 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám
không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 .................................................... 46
Hình 3.12 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ
số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày
09/04/2018. ...................................................................................................... 46
Hình 3.13 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 ....... 47
Hình 3.14 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày
09/04/2018 ....................................................................................................... 47
Hình 3.15 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày
25/12/2017 ....................................................................................................... 48
Hình 3.16 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
......................................................................................................................... 49
x
Hình 3.17 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ
số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày
25/12/2018. ...................................................................................................... 49
Hình 3.18 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số
liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h
(phải) UTC. ..................................................................................................... 50
Hình 3.19 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số
liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h
(phải) UTC ...................................................................................................... 51
Hình 1 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong
kỳ quan trắc ngày 21/03/2018 ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 21/03/2018........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong
kỳ quan trắc ngày 15/05/2018 ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 15/05/2018........ Error!
Bookmark not defined.
xi
xii
MỞ ĐẦU
Quan trắc các đối tượng như xon khí, bụi, phân bố của chúng trong khí
quyển là một vấn đề cấp thiết bởi sự liên quan tới các quá trình vật lý và vi
vật lý trong khí quyển, các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp tới các quá trình
thời tiết, khí hậu, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên
cứu và phát triển.
Trong vài thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì
nhiều hệ thống LIDAR đã được các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới
nghiên cứu chế tạo, phát triển phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển đa
dạng cùng với các phương thức và đối tượng nghiên cứu khác nhau. Các
thông số có thể tính toán được từ số liệu LIDAR có thể kể đến như hệ số tán
xạ ngược, hệ số suy hao xon khí, độ dày quang học khí quyển, tỉ số phân cực,
hệ số hấp thụ đối với các loại hạt bụi và khí. Các thông số này có thể được sử
dụng cho các nghiên cứu về môi trường, ô nhiễm không khí, nghiên cứu độ
cao lớp biên, các lớp khí quyển trên cao, phân bố xon khí trong khí quyển,
ứng dụng hiệu chỉnh khí quyển cho các sản phẩm viễn thám. Ngoài ra LIDAR
còn được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về vận chuyển lan truyền
bụi, khí thải trên quy mô vừa, quy mô lớn. Hệ thống này cũng được gắn trên
máy bay, vệ tinh phục vụ quan trắc từ xa, xác định độ cao địa hình.
Với thực trạng nghiên cứu hiện tại ở Việt Nam về sử dụng công nghệ
LIDAR trong quan trắc khí quyển còn chưa có nhiều và còn nhiều vấn đề cần
giải quyết nên luận văn sẽ tập trung giải quyết các vấn đề liên quan tới xử lý
số liệu LIDAR quan trắc xon khí và phân tích một số trường hợp điển hình, số
liệu được tính toán kết hợp với các nguồn số liệu quan trắc khác để nâng cao
tính chính xác.
1
Luận văn đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu chính:
- Tính toán được các thông số khí quyển gồm: hệ số suy hao xon khí, hệ
số tán xạ ngược xon khí, độ dày quang học khí quyển từ số liệu
LIDAR.
- Phân tích đánh giá được một số trường hợp điển hình.
Các nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Thu thập, thống kê số liệu phục vụ cho luận văn.
- Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR.
- Xây dựng thuật toán xử lý số liệu
- Phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình.
Dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu, luận văn sẽ được bố cục
thành các phần như sau:
Mở đầu
Chương 1. Cơ sở khoa học
Tập trung nghiên cứu tổng quan về hệ thồng lidar, khí quyển và các
nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ lidar ở trong và ngoài nước.
Chương 2. Số liệu và phương pháp nghiên cứu
Đưa ra các nguồn số liệu sử dụng trong luận văn, diễn giải phương
pháp nghiên cứu và giải thích lý do tại sao chọn phương pháp này.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Tập trung phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình sau khi đã sử
lý số liệu và đưa vào chương trình tính toán.
Kết luận và kiến nghị
2
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC
LIDAR
1.1.1. Kỹ thuật LIDAR
LIDAR (Light Detection and Ranging) là phương pháp quan trắc chủ
động từ xa để nghiên cứu các thông số khí quyển như nhiệt độ, thành phần,
gió. LIDAR hoạt động tương tự như RADAR, trong thực tế nhiều khi LIDAR
còn được gọi là RADAR ánh sáng. Cả hai kỹ thuật này đều phát ra bức xạ
điện từ và thu nhận các bức xạ tán xạ trở lại thiết bị. Các bức xạ tán xạ trở lại
được phân tích để xác định đặc điểm của khu vực mà các bức xạ điện từ đi
qua. Điểm khác biệt giữa LIDAR và RADAR nằm ở việc sử dụng các bước
sóng khác nhau, RADAR sử dụng các bước sóng lớn hơn 1 cm nằm trong phổ
sóng vô tuyến trong khí đó LIDAR sử dụng bước sóng ánh sáng trong phổ
cực tím, thị phổ và hồng ngoại [1].
1.1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR
Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì
không thể không nhắc đến Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử
dụng kỹ thuật đèn pha công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2], nhưng
sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR
mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới
thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm 1963 với tầng
khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4]. Sau các thành
công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ
thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng.
3
1.1.3. Hệ thống LIDAR
Một hệ thống LIDAR bao gồm năm phần cơ bản như sau (Hình Error!
No text of specified style in document..1): (1) bộ phân phát tín hiệu laser;
(2) hệ thống quang học truyền tín hiệu; (3) hệ thống quang học nhận tín hiệu;
(4) cảm biến; (5) hệ thống điện tử để ghi, xử lý, đánh giá, hiển thị và lưu trữ
số liệu [5].
Hình Error! No text of specified style in document..1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5]
Khi hệ thống LIDAR hoạt động, một xung laser được phát vào khí
quyển thông qua bộ phận phát tín hiệu laser, độ dài xung và bước sóng laser
được chọn tùy vào mục tiêu quan sát và mục đích nghiên cứu, xung laser sẽ
tương tác với các thành phần khí quyển và tán xạ ngược trở lại hệ thống
LIDAR và được thu nhận lại bằng một hệ thống quang học thu và các cảm
biến ánh sáng, sau đó tín hiệu được số hóa và chuyển về hệ thống máy tính để
lưu trữ phục vụ cho quá trính xủ lý số liệu.
1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR
Sự tương tác ánh sáng với các quá trính vật lý trong khí quyển rất đa
dạng với nhiều quá trình vật lý khác nhau, do đó các thiết bị LIDAR cũng
được xây dựng dựa trên cơ sở này và phục vụ quan trắc các loại đối tượng
4
khác nhau trong khí quyển, các quá trình vật lý và các loại LIDAR quan trắc
các đối tượng tương ứng được mô tả trong Hình Error! No text of specified
style in document..2.
Hình Error! No text of specified style in document..2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan trắc được [5]
1.1.5. Phương trình LIDAR
Để tính toán được các thông số khí quyển, tín hiệu LIDAR được xử lý
và phân tích bằng phương trình LIDAR. Phương trình này thể hiện mối liên
hệ giữa tín hiệu tán xạ ngược trong không gian nhận được bởi cảm biến với
các yêu tố khí quyển và hệ thống LIDAR. Tín hiệu tại khoảng cách Z được
xác định như sau:
Error! No text of specified style in document.-1
5
Trong đó:
: Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z
: Năng lượng xung laser phát đi
: Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ
quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển)
: Hệ số tán xạ ngược xon khí
: Hệ số tán xạ ngược phân tử
: Độ truyền qua bởi xon khí
: Độ truyền qua bởi phân tử
1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ
LIDAR
Nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay trên thế giới đã và đang có nhiều nghiên cứu sử dụng công
nghệ LIDAR để quan trắc khí quyển. Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật
LIDAR quan trắc xon khí thì không thể không nhắc đến nghiên cứu của
Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha
công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2].
Sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống
LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay
LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm
1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4].
Sau các thành công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong
phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này
ngày càng đa dạng. Fernald năm 1972, 1984 và Klett năm 1981 nghiên cứu
xây dựng phương pháp điểm biên để tính toán các thông số khí quyển từ số
6
liệu LIDAR [6-8]. Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao
lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT
(Wavelet Covariance Transform) [9] . Nghiên cứu của Chan năm 2010 đã tính
toán hệ số tán xạ ngược – suy hao xon khí cho hệ LIDAR Doppler dựa trên số
liệu quang phổ kế [10]. Các đặc điểm về độ dày quang học xon khí đã được
đo đạc và tính toán trong nghiên cứu của Porter và cs năm 2002 bằng hệ
thống LIDAR di động Mie-Rayleigh được đặt tại Hawaii [11]. Ware, Kort và
cs 2016 nghiên cứu các đặc điểm lớp xáo trộn tại Pasadena California bằng
thiết bị MPLNET [12]. Mei, Guan và cs năm 2017 sử dụng hệ thống LIDAR
mie bước sóng 808nm xác định hệ số xuy hao xon khí tại Đại Liên và xem xét
sự tương quan với số liệu PM10 / PM 2.5 và cho kết quả tốt [13]. Liu, He và
cs năm 2017 đã xác định AOD và hệ số suy hao xon khí sử dụng LIDAR
MPLNET tại Thượng Hải [14].
Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển hiện chưa được phổ
biến và áp dụng rộng rãi, hiện tại mới chỉ dừng lại ở một số nghiên cứu chế
tạo, mô phỏng và đo đạc thử nghiệm.
Một số nghiên cứu nổi bật như Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2008 đã
nghiên cứu về ứng dụng LIDAR trong quan trắc đặc tính mây Ci, nghiên cứu
này chỉ ra qua hệ thống LIDAR hai kênh thu, các thông số về mây Ci được
xác định bao gồm độ cao chân mây, độ cao đỉnh mây, hệ số tán xạ ngược, hệ
số hấp thụ, độ dày quang học, tỉ lệ phân cực [15]. Nguyễn Xuân Anh và cs
năm 2014 đã sử dụng LIDAR trong nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của xon
khí tại Việt Nam [16]. Phạm Xuân Thành và cs năm 2016 đã tiến hành nghiên
cứu ứng dụng đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng khí quyển lên ảnh vệ
tinh, nghiên cứu khẳng định các kết quả thu được về quan trắc xon khí, hơi
7
nước, nhiệt độ là nguồn số liệu hữu ích cho việc nghiên cứu vật lý khí quyển
[17]. Âu Duy Tuấn và cs năm 2017 đã nghiên cứu mô phỏng tín hiệu đo đạc
LIDAR, và so sánh với kết quả đo thực tế và cho thấy có sự phù hợp về tín
hiệu mô phỏng và tín hiệu đo đạc tại hệ thống LIDAR IGP [18]. Bùi Văn Hải
và cs năm 2012, 2013, Nguyễn Xuân Tuấn và cs năm 2014, 2016 đã nghiên
cứu chế tạo hệ thống LIDAR raman sử dụng để đo đạc nhiệt độ, mật độ khí
quyển, hệ số suy hao tại tầng đối lưu, tầng bình lưu, lớp biên khí quyển, tỉ số
LIDAR [19-22].
Khí quyển và các thông số khí quyển
1.1.7. Cấu trúc của khí quyển
Thành phần của khí quyển
Khí quyển là một lớp khí bao quanh trái đất; 99% khối lượng của khí
quyển tập trung ở độ cao dưới 30km và có thành phần rất đa dạng (bảng 1-1).
Không khí khô
Không khí ẩm
µg/m3
ppm
µg/m3
ppm
Khí
780,000
Ni-tơ
756,500
8.95 x 108
8.67 x 108
209,400
Ô-xy
202,900
2.74 x 108
2.65 x 108
-
Hơi nước
31,200
-
2.30 x 107
9,300
Argon
9,000
1.52 x 107
1.47 x 107
315
Các-bon đi-ô-xít
305
5.67 x 105
5.49 x 10s
18
Nê-ôn
17.4
1.49 x 104
1.44 x 104
5.2
Hê-li
5.0
8.50 x 102
8.25 x 102
Me-tan
1.0-1.2
6.56-7.87 x 102
0,97-1.16
6.35-7.63 x 102
1.0
Krypton
0.97
3.43 x 103
3.32 x 103
0.5
Ni-tơ ô-xít
0.49
9.00 x 102
8.73 x 102
0.5
Hi-đờ-rô
0.49
4.13 x 101
4.00 x 101
Bảng Error! No text of specified style in document..1 Thành phần của khí quyển không bị ô nhiễm [23]
8
Xê-ôn
0.08
4.29 x 102
0.08
4.17 x 102
-
Hơi hữu cơ
ca. 0.02
-
ca. 0.02
Phân tầng khí quyển
Khí quyển được phân thành 5 tầng chính với thứ tự từ trên xuống như
sau: tầng ngoại quyển, tầng nhiệt quyển, tầng trung quyển, tầng bình lưu và
tầng đối lưu. Bên trong tầng đối lưu có lớp một một lớp phụ quan trọng là lớp
biên hành tinh, lớp này là phần của khí quyển chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi
các tác động của bề mặt trái đất.
Hình Error! No text of specified style in document..3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24]
9
1.1.8. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển
Bức xạ mặt trời khi truyền qua khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi các
loại khí, xon khí, mây, và bề mặt trái đất. Phần bức xạ bị hấp thụ được thêm
trực tiếp vào trữ lượng nhiệt; mặt khác bức xạ bị tán xạ có một phần quay trở
lại không gian và một phần tiếp tục truyền trong khí quyển và tiếp tục bị hấp
thụ và tán xạ [1].
Thông thường, mây có tác động lớn nhất đến bức xạ mặt trời nhận
được tại bề mặt trái đất do các đặc điểm quang học và đặc tính vật lý của mây
như độ che phủ, độ dày mà mây có thể hấp thụ hoặc tán xạ các tia bức xạ mặt
trời và ngăn cản bức xạ tới bề mặt trái đất. Hơi nước hấp thụ bức xạ mặt trời,
lượng hơi nước trong khí quyển biến đổi trong ngày và thay đổi theo mùa,
nhiều hơi nước hơn trong mùa ẩm và ít hơi nước hơn trong mùa khô.
Các hạt bụi nhỏ lơ lửng trong khí quyển tưởng chừng như vô hại cũng
có tác động tương đối tới bức xạ mặt trời, các hạt này thường được gọi là xon
khí, có nguồn gốc từ tự nhiên và cũng có thể do con người sinh ra. Chúng tác
động tới bức xạ mặt trời dưới dạng hấp thụ và tán xạ bức xạ mặt trời, hoặc
qua các quá trình biến đổi và xon khí vai trò làm hạt nhân ngưng kết để tạo
mây, mưa.
Ozone cũng là một loại xon khí tuy nhiên chúng tồn tại ở lớp khí quyển
trên cao, lượng ozone tồn tại trong khí quyển thay đổi thei mùa và theo vĩ độ,
ozone có vai trò chính là hấp thụ các bức xạ cực tím có hại cho con người.
Ngoài ra còn các loại khí khác, như CO2 có tác động hấp thụ các phần bức xạ
hồng ngoại của bức xạ mặt trời, nồng độ các khí này thay đổi theo thời gian
và theo vị trí địa lý.
10
1.1.9. Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR
Hệ số suy hao
Đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển gây ra bởi
sự hấp thụ và tán xạ. Trong khí quyển có hai loại tán xạ chính cần quan tâm là
tán xạ gây ra bởi phân tử và tán xạ gây ra bởi xon khí hay các loại hạt lơ lửng
trong khí quyển.
Tán xạ phân tử hay còn gọi là tán xạ Rayleigh là tán xạ ánh sáng đàn
hồi gây ra bởi các phân tử có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, do đó khí
quyển Rayleigh được xác định là hầu như không tồn tại xon khí mà chỉ tồn tại
các loại phân tử khí như Ô-xy, Ni-tơ … và lớp khí quyển này thường tồn tại ở
độ cao trên 4km.
Tán xạ ánh sáng gây ra bởi xon khí hay các hạt có kích thước lớn hơn
trong khí quyển được mô tả bởi định luật tán xạ xon khí hay còn gọi là tán xạ
Mie. Các hạt này có kích thước lớn và đủ để so sánh sới bước sóng ánh sáng.
Do đó hệ số suy hao trong khí quyển là đại lượng đặc trưng cho sự suy
hao bức xạ mặt trời gây ra bởi phân tử và xon khí
Error! No text of specified style in document.-2
Trong đó:
: Hệ số suy hao tổng cộng
: Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí
: Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử
11
Hệ số tán xạ ngược
Là đại lượng đặc trưng cho cường độ ánh sáng bị tán xạ trong một đơn
vị thể tích theo một đơn vị góc khối. Trong nghiên cứu khí quyển bằng
LIDAR, hệ số này thường được biết tới là hệ số tán xạ ngược, đặc trưng bởi
sự tán xạ gây ra bởi phân tử và xon khí.
Error! No text of specified style in document.-3
Trong đó:
: Hệ số tán xạ ngược tổng cộng
: Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi xon khí
: Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi phân tử
Mối liên hệ giữa hệ số suy hao và hệ số tán xạ gây ra bởi xon khí
Theo nghiên cứu của Klett thì hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược gây
ra bởi xon khí có mối liên hệ với nhau theo hàm mũ như sau:
Error! No text of specified style in document.-4
Với k là hệ số phụ thuộc vào bước sóng và đặc điểm của xon khí, giá trị
của nằm trong khoảng [7].
1.1.10. Lớp biên hành tinh
Lớp biên hành tinh (lớp biên khí quyển) là lớp có độ dày 1,5 – 3 km
dưới cùng. Trong phạm vi lớp này, sự phân bố các yếu tố khí tượng được xác
định trực tiếp bởi tác động của mặt trải dưới và chuyển động rối. Điều đó thể
hiện rõ rệt nhất là phân bố thẳng đứng của vận tốc gió. Vận tốc gió luôn bằng
12
không ở mặt trải dưới và tiến tới gió địa chuyển ở lớp trên của lớp biên khí
quyển (với điều kiện đẳng áp ngang và các đường đẳng áp thẳng). Đặc tính
của sự phân bố thẳng đứng của vận tốc gió giữa hai mưc này được xác định
chủ yếu bởi chuyển động rối. Chuyển động rối này gây ra sự trao đổi động
lượng giữa các lớp khác nhau và làm trơn profile gió.
Lớp biên hành tinh có vai trò rất quan trọng trong khí quyển, cung cấp
ẩn nhiệt, hiển nhiệt cho các lớp bên trên và bên dưới nó. Các quá trình thời
tiết cũng xảy ra ở đây, các vấn đề về ô nhiễm không khí và chất lượng không
khí cũng xảy ra ở đây, tác động trực tiếp đến cuộc sống của con người và các
hệ sinh thái bên trong và dưới lớp biên.
Xon khí
1.1.11. Định nghĩa
Trong khoa học khí quyển, xon khí đại diện cho các hạt rắn và lỏng
không bao gồm các khí mang. Các hạt xon khí có kích thước từ 1 nm cho tới
vài trăm µm, có thể lớn cỡ các hạt mây và hạt băng [1].
N
reff
ssa
g
å
å
Xon khí
(cm-3)
(µm)
(0.55µm)
(0.55µm)
(0.35– 0.55µm)
(0.55– 0.8µm)
2600
0.247
0.972
0.709
1.1
1.42
15,300
0.204
0.925
0.703
1.11
1.42
50,000
0.15
0.892
0.698
1.13
1.45
158,000
0.139
0.817
0.689
1.14
0.43
2300
1.488
0.888
0.729
0.2
0.17
Lục địa sạch Lục địa trung bình Lục địa ô nhiễm Đô thị Xa mạc
0.772
0.12
Đại dương sạch
1520
0.445
0.997
0.08
Bảng Error! No text of specified style in document..2 Đặc tính của một số loại xon khí [25]
13
9000
0.252
0.975
0.756
0.41
0.35
600
0.479
0.998
0.774
0.07
0.04
6600
0.12
0.887
0.721
0.85
0.89
43
0.26
1
0.784
0.34
0.73
3
0.243
1
0.784
0.74
1.14
Đại dương ô nhiễm Đại dương vùng xích đạo Bắc cực Nam cực Tầng bình lưu (12-35 km)
Xon khí trong khí quyển có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có
nguồn gốc tự nhiên như: nguồn gốc từ biển (hạt muối), hạt bụi khoáng do gió
đưa lên, nguồn gốc từ núi lửa, nguồn gốc thực vật, và sản phẩm của các phản
ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói,
bụi...), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí,... Phân biệt xon khí
nguyên thủy (phát ra trực tiếp vào khí quyển) và dạng thứ cấp tạo từ các sản
phẩm phản ứng một số chất khí trong khí quyển [16].
Các đặc trưng cơ bản của xon khí: mật độ khối, mật độ khối theo kích
thước, mật độ hạt, phân bố kích thước hạt, hình dạng, kích thước hình học,
tính chất quang học (độ dày quang học, albedo, hệ số hấp thụ, tán xạ, hàm
pha, chiết suất...), đặc điểm bề mặt, thành phần hóa học, nguồn gốc, thời gian
tồn tại, đặc điểm quá trình (tất cả các thông số trên biến đổi trong quá trình
tồn tại của xon khí) [16].
Trong Bảng Error! No text of specified style in document..2 có liệt
kê một số loại xon khí cơ bản và các đặc trưng của chúng.
1.1.12. Độ dày quang học xon khí
Là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời khi đi qua khí
quyển gây ra bởi xon khí.
Độ dày quang học xon khí tại một bước sóng bất kỳ được xác định như
sau:
14
Error! No text of specified style in document .-5
Theo một định nghĩa khác thì độ dày quang học xon khí là tích phân
của hệ số suy hao gây ra bởi xon khí từ bề mặt lên tới đỉnh khí quyển, được
xác định bởi công thức:
Error! No text of specified style in document.-6
1.1.13. Các tác động của xon khí
Ảnh hưởng của xon khí tới thời tiết, khí hậu:
Xon khí thường tồn tại trong tầng đối lưu từ một ngày cho tới vài tuần
và có thể tới một năm trong tầng bình lưu, do sự tồn tại này nên xon khí có
tác động nhất định tới các quá trình thời tiết và khí hậu. Theo IPCC xon khí
tác động tới thời tiết và khí hậu theo ba cách như sau: (1) Tác động trực tiếp
là quá trình các loại xon khí hấp thụ và tán xạ bức xạ sóng ngắn và bức xạ
sóng dài, do đó làm mất cân bằng cán cân bức xạ của khí quyển trái đất; (2)
Tác động gián tiếp là quá trình các loại xon khí làm thay đổi các quá trình vi
vật lý, bức xạ, lượng mây; (3) Tác động bán trực tiếp là quá trình các loại xon
khí hấp thụ bức xạ sóng ngắn đẫn tới tăng nhiệt độ trong tầng đối lưu, làm
thay đổi độ ẩm và do đó làm thay đổi sự hình thành mây và thơi gian tồn tại
của mây [26].
15
Ảnh hưởng của xon khí tới sức khỏe con người:
Xon khí và các chất ô nhiễm gần đây đã trở thành một vấn đề quan
trọng trong nghiên cứu về ô nhiễm không khí do những ảnh hưởng đáng chú ý
của nó đối với sức khoẻ con người.
Các nghiên cứu khác nhau về tác động ô nhiễm không khí đối với sức
khoẻ đã chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ chất gây ô nhiễm không khí
và các tác động về sức khoẻ [23].
1.1.14. Quan trắc xon khí bằng LIDAR
Hiện nay, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển đã và đang được sử
dụng thường xuyên, nổi bật với các mạng lưới trạm LIDAR mặt đất như
MPLNET, EARLINET, AD-Net, NDACC LIDAR, GALION, hệ thống trạm
LIDAR trong không gian như LITE, CALIPSO, ADM Aeolus, EarthCARE.
Các mạng trạm được liên kết với nhau tạo thành hệ thống quan trắc trải rộng
trên mặt đất cũng như không gian phục vụ cho các quan sát, thám sát, nghiên
cứu về phân bố, sự dịch chuyển cũng như đặc tính của xon khí trong khí
quyển.
Các nghiên cứu tích hợp hệ thống LIDAR vào vệ tinh quan sát trái đất
cũng được thực hiện với vệ tinh CALIPSO gắn cảm biến LIDAR CALIOP,
chức năng chính là quan trắc xon khí và mây trong khí quyển, các số liệu thu
thập được như độ cao, độ dày lớp mây, độ dày quang học, loại hạt mây, đặc
tính xon khí như prolife, hệ số suy hao do xon khí, các sản phẩm này có độ
phân giải cao phục vụ tốt cho các nghiên cứu về khí quyển trên quy mô toàn
cầu.
16
17
CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Số liệu
2.1.1. LIDAR
a. Thiết bị LIDAR IGP
LIDAR IGP: Hệ thống LIDAR (Hình Error! No text of specified style
in document..4, Bảng Error! No text of specified style in document..3)
được nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện tại Viện Vật lý địa cầu với mục đích
nghiên cứu môi trường khí quyển nói chung và xon khí nói riêng với cấu tạo
phần phát là laser Nd-YaG (LOTIS - Belarus) phát ở các bước sóng cơ bản là
1064nm, 532mn, 355nm, 266nm với công suất tối đa tương ứng là 700mJ,
400mJ, 160mJ, 120mJ. [18].
18
Hình Error! No text of specified style in document..4 Thiết bị LIDAR IGP
đặt tại Viện Vật lý Địa cầu
Bảng Error! No text of specified style in document..3 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu
Tích cực từ xa 30km 2m
Kỹ thuật đo Độ cao đạt được Độ phân giải (có thể đạt được) Bộ phận Laser Bước sóng (nm)
1064 (FF), 532(SH), 355(TH), 266( FH) 700, 400, 140, 100
Năng lượng xung (mJ): FF, SH, TH, FH Độ rộng xung (ns) Tần số lặp (Hz) Jitter (of Q-switch) (ns) 5-7 1-10 ±1.5
19
≤1.0 ≤ 8 ±3.0% ≤ 64 ≤ 750 (220V ± 20V) (50-60Hz)
1GHz 4 16 5Gs/s trên tất cả các kênh 10Ms/ trên tất cả các kênh 35000 mẫu/s XGA(1024x768), LCD 10.4‖ USB 2.0, 10/100T-LAN, IEEE488.2 GPIB, XGA video. có 100V-240V (± 10%)
1 PTM 300nm đến 1100nm 10^5 – 10^6 0.78ns – 7ns
Độ phân tán của tia (mrad) Đường kính tia (mm) Độ bất ổn định năng lượng Năng lượng bơm Ep (J) Công suất nguồn (W) Yêu cầu về nguồn điện Bộ phận thu và hiện sóng Dải tần số đo Số lượng kênh analog Số lượng kênh tín hiệu số Tốc độ lấy mẫu Bộ nhớ Tốc độ lấy mẫu sóng cao nhất Màn hình hiển thị Giao diện chuẩn với chế độ đặt ngưỡng và khởi động đa dạng Kết nối tự động với máy tính Nguồn điện Bộ phận cảm biến Số lượng kênh thu Loại cảm biến Dải bước sóng làm việc Độ khuếch đại Thời gian phản ứng Hệ kính dạng Schmidt-Cassegrain Dạng kính Đường kính của kính chính Độ dài tiêu cự Tỉ số tiêu cự Ống quang học Đường kính của thị kính Lớp phủ quang học
Dạng Schmidt-Cassegrain 279.4 mm 2800 mm f/10 Nhôm 40 mm Sử dụng công nghệ chân không trong chế tạo gương (StarBright/XLT) 609.6 mm
đến 180o
Độ dài của kính Phụ kiện là giá đỡ, tài liệu hướng dẫn. có Bộ giá đỡ và gá thiết bị Thiết kế chống rung Quay theo phương thẳng đứng Quay theo phương ngang có -90o đến 90o -180o
20
Thu thập số liệu
Hệ LIDAR IGP là hệ bán tự động, khi bắt đầu một kỳ quan trắc cần
phải nhập các thông số thiết lập cho dao động ký bằng phần mềm trên máy
tính (Hình Error! No text of specified style in document..5), bước tiếp theo
là thiết lập các thông số cho laser, thiết lập thông số nguồn nuôi, khuyếch đại
cho phận cảm biến, nhập các thông số bên ngoài vào phần mềm, kiểm tra hệ
quang học thu và bắt đầu tiến hành quan trắc.
Hình Error! No text of specified style in document..5 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP
Hệ LIDAR IGP có các chế độ đo độ phân giải cao và chế độ đo trung
bình tín hiệu với độ phân giải không gian của số liệu đạt tới 3m. Với chế độ
đo độ phân giải cao, mỗi một xung tín hiệu thu được và ghi lại là tín hiệu của
một xung riêng biệt. Chế độ đo trung bình tín hiệu , mỗi xung tín hiệu thu
được và ghi lại là tín hiệu trung bình của nhiều xung tùy theo thiết lập hệ
thống, chi tiết được liệt kê trong Bảng Error! No text of specified style in
document..4
21
Chế độ đo
Hi-res Average 8 Average 16 Average 32 Average 64 Average 128 Average 256 Average 512
Số xung tín hiệu 1 8 16 32 64 128 256 512
Thời gian trung bình (s) 0.1 0.8 1.6 3.2 6.4 12.8 25.6 51.2
Bảng Error! No text of specified style in document..4 Thông số về các chế độ đo
Để đảm bảo cho việc không bị mất số liệu và giảm nhiễu nên hiện tại
các kỳ quan trắc bằng hệ LIDAR IGP đều sử dụng chế độ đo Average 512. Số
liệu thu về được ghi trên máy tính với định dạng text và sau đó được xử lý và
chuyển về định đạng NetCDF để thuận tiện cho việc lưu trữ cũng như sử dụng
cho các nghiên cứu sau này.
Ngày 25/12/2017 09/03/2018 21/03/2018 09/04/2018 15/05/2018
Giờ 18:09 – 18:44 18:15 – 18:28 18:25 – 18:59 18:34 – 18:55 22:41 – 22:54
Điều kiện mây Có mấy Ci trên tầng cao Quang mây Có mây ở độ cao thấp Quang mây Quang mây
Bảng Error! No text of specified style in document..5 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn
Số liệu LIDAR IGP sử dụng trong luận văn được thu thập trong khoảng
thời gian từ tháng 12 năm 2017 tới tháng 5 năm 2018, các kỳ quan trắc được
thực hiện vào bưởi tối, tùy theo các trường hợp nghiên cứu cụ thể. Các trường
hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn được liệt kê trong bảng Bảng Error!
No text of specified style in document..5.
b. Thiết bị LIDAR MPLNET
Trạm LIDAR được cho mượn từ NASA lắp đặt đo đạc khí quyển tại Hà
Nội trong năm 2011 và 2012.
22
Mạng lưới trạm MPLNET được NASA thành lập là một mạng lưới liên
kết của các hệ thống Micro-Pulse Lidar (MPL) được thiết kế để đo lường cấu
trúc thẳng đứng xon khí, mây và độ cao lớp biên. Các số liệu được thu thập
liên tục trong khoảng thời gian dài từ các trạm được đặt trên toàn cầu. Hầu hết
các trạm MPLNET được đặt kèm với các trạm trong hệ thống AERONET để
có thể hiệu chỉnh số liệu cho nhau. MPLNET cũng là một mạng lưới đóng
góp cho hệ thống quan sát khí quyển toàn cầu (GAW) của tổ chức khí tượng
thế giới (WMO) và mạng lưới quan sát xon khí bằng LIDAR (GALION) [27].
Hình Error! No text of specified style in document..6 Thiết bị LIDAR
MPLNET đặt tại Hà Nội [16]
Bảng Error! No text of specified style in document..6 Thông số Thiết bị
Bộ phận quang học phát:
Bước sóng Laser: 532 nm Nd:YVO4, OR 527 nm Nd:YLF
Tần số lặp xung: 2500 Hz
LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16]
23
Năng lượng xung: 6-8 μJ
Kết nối máy tính/điều khiển: RS-232
Bộ phận quang học thu:
Dạng Telescope: Maksutov Cassegrain
Độ dài tiêu cự (Focal Length) 2400 mm
Đường kính (Diameter): 178 mm
Trường quan sát (Field of view): 100 μrad
Bộ phận thu nhận
Phát hiện tín hiệu (Detector): Avalanche APD, đếm photon
Phân giải: 15 / 30 / 75 m (lập trình được)
Độ cao tối đa: 45 km
Hai kênh đếm, chuyển đổi tương tự/ số (A/D) cho đo nhiệt độ và năng lượng, kết nối máy
tinh qua cổng USB.
Thu thập số liệu số liệu LIDAR MPLNET
Số liệu MPLNET sử dụng trong luận văn được thu thập trong khoảng
thời gian từ tháng 11 năm 2011 tới tháng 11 năm 2012, số liệu thô đã được xử
lý chuyển định dạng lưu trữ và hiệu chỉnh ở mức level_1. Số liệu cung cấp
các thông tin về hệ đo, thời gian, tín hiệu, độ phân giải số liệu.
2.1.2. AERONET
Chương trình AERONET (AErosol RObotic NETwork) là hệ thống
mạng trạm đo aerosol mặt đất do NASA thiết kế. Chương trình nhằm mục
đích tạo cơ sở dữ liệu lâu dài về tính chất quang, vật lý vi mô và bức xạ của
aerosol phục vụ cho công việc nghiên cứu aerosol, kiểm định số liệu vệ tinh
và phối hợp với các cơ sở dữ liệu khác. Việt Nam tham gia vào chương trình
trên từ năm 2003 và có một số trạm được lắp đặt, vận hành thường xuyên
[17].
Trong luận văn này số liệu AOD từ quang phổ kế được lắp đặt tại Viện
Vật lý địa cầu sẽ được sử dụng để làm đầu vào cho việc tính toán hệ số suy
hao và so sánh với kết quả tính toán độ dày quang học xon khí tính toán được
24
từ số liệu LIDAR. Số liệu AOD được lấy sao cho gần sát với thời gian quan
trắc LIDAR để có thể so sánh khách quan giữa hai kết quả tính toán.
Hình Error! No text of specified style in document..7 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28]
Thiết bị quang phổ kế
Thiết bị sử dụng là quang phổ kế CIMEL 318 đo hoàn toàn tự động.
Thiết bị thực hiện hai phép đo cơ bản là trực xạ và tán xạ (direct sun and sky).
Trực xạ đo ở tám dải phổ trong vòng 10 giây ở các dải phổ 340, 380, 440,
500, 670, 870, 940 và 1020 nm. Trong 30 giây thiết bị sẽ đo 3 lần (triplet) cho
mỗi dải phổ. Trung bình cứ 15 phút thì thực hiện phép đo này 1 lần. Thiết bị
đo tự động bắt đầu khi khối lượng quang học khí quyển (air mass) bằng 7 vào
buổi sáng và kết thúc vào buổi chiều khi khối lượng quang học khí quyển
bằng 7. Ngoài đo trực xạ, thiết bị còn đo tán xạ trong 4 dải phổ (440, 670,
870 và 1020 nm) với các góc tán xạ khác nhau [17].
25
Hình Error! No text of specified style in document..8 Thiết bị quang phổ kế AERONET
2.1.3. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA)
Giới thiệu chung
Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) là một mô hình khí quyển
biểu diễn sự thay đổi về áp suất, nhiệt độ, mật độ và độ nhớt trên một phạm vi
rộng hoặc cao độ của bầu khí quyển Trái Đất. Được thiết lập để cung cấp một
tham chiếu chung cho nhiệt độ và áp suất và bao gồm các bảng giá trị ở các
độ cao khác nhau, cộng với một số công thức mà theo đó các giá trị đó được
bắt nguồn. Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) công bố ISA là tiêu chuẩn
quốc tế. Số liệu ISA sử dụng trong luận văn được liệt kê trong Bảng Error!
No text of specified style in document..7.
26
Bảng Error! No text of specified style in document..7 Số liệu khí quyển tính từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA
Độ cao (m) Nhiệt độ (K) Khí áp (Pa) Mật độ (kg/m3)
0 288.2 101325.0 1.2250
1333 279.5 86299.7 1.0757
2667 270.8 73131.8 0.9407
4000 262.2 61640.2 0.8191
5333 253.5 51656.6 0.7099
6667 244.8 43024.7 0.6122
8000 236.2 35599.8 0.5252
9333 227.5 29248.3 0.4479
10667 218.8 23847.3 0.3797
12000 216.7 19330.4 0.3108
2.1.4. Số liệu bóng thám không
Giới thiệu chung
Thám không vô tuyến là phép đo phân bố theo chiều dọc các đặc tính
vật lý của cột khí quyển như áp suất, nhiệt độ, tốc độ gió và hướng gió (do đó
tạo ra gió cắt), hàm lượng nước lỏng, nồng độ ozone, ô nhiễm và các tính chất
khác. Một thiết bị chạy bằng pin được mang vào bầu khí quyển bằng một quả
bóng thời tiết và ghi lại các đặc tính vật lý của khí quyển.
Mô tả số liệu
Số liệu bóng thám không sử dụng trong luận văn được lấy tại trạm
VVNB với tần suất thả bóng hai lần trong một ngày, vào các kỳ quan trắc 00h
và 12h UTC. Số liệu được lưu dưới định dạng text, phục vụ cho việc tính toán
các thông số khi quyển trong phương trình LIDAR.
27
Bảng Error! No text of specified style in document..8 Số liệu thám không trạm 48820 [29]
Các phương pháp xác định các thông số khí quyển
Như đã nêu trong phần cơ sở khoa học về LIDAR, phương trình
LIDAR cần điễn giải để thu được các thông số khí quyển từ số liệu đo được,
trong nghiên cứu này sẽ sử dụng các phương pháp liên quan tới các nguồn số
liệu tham chiếu khác nhau để áp dụng vào giải phương trình LIDAR.
2.1.5. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc
Phương pháp độ dốc (Slope Method): Phương pháp này được sử dụng
trong điều kiện khí quyển đồng nhất, kết quả sẽ đưa ra một giá trị trung bình
của hệ số suy hao trong khoảng quan trắc của LIDAR [30].
Error! No text of specified style in document.-7
Trong đó:
28
: hệ số suy hao tổng cộng
: tín hiệu LIDAR đã hiệu chỉnh khoảng cách tại Z
Phương pháp độ dốc có nhược điểm là chỉ cho giá trị suy hao trung
bình tổng cộng trên khoảng quan trắc mà không cho biết sự phân bố trong
không gian, trong luận văn này sẽ không tính toán hệ số suy hao bằng phương
pháp này.
2.1.6. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương
pháp điểm biên
Phương pháp điểm biên (Klett - Fernald Method) được đưa ra bởi Klett
năm 1981 [7] và Fernald năm 1972 [6] và được cải tiến vào năm 1984 [8].
Trong luận văn này số liệu LIDAR được xử lý dựa trên kết quả cải tiến của
Fernald năm 1984, Phương pháp này yêu cầu phải biết trước giá trị hệ số suy
hao tại một điểm bất kỳ trong khoảng quan trắc của LIDAR, từ đó sẽ tính toán
được các giá trị còn lại cho các độ cao khác nhau. Một điểm quan trọng khác
trong phương pháp điểm biên là tỉ số LIDAR sẽ được coi như là hằng số trong
suốt khoảng quan trắc, ngoài ra một điểm tham chiếu mà tại đó coi như không
có sự tồn tại của xon khí sẽ được chọn để tính toán.
Từ phương trình LIDAR trong chương 1 cho hai thành phần tán xạ và
suy hao có dạng như sau:
Trong đó:
: Tín hiệu thu được tại khoảng cách z
: Năng lượng xung laser phát
: Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ
quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển)
29
: Hệ số tán xạ ngược xon khí
: Hệ số tán xạ ngược phân tử
: Độ truyền qua bởi xon khí
: Độ truyền qua bởi phân tử
Trong phương trình LIDAR có các thành phần như E, C được xác định
đo đạc và thực nghiệm khi xây dựng hệ thống LIDAR, trong nghiên cứu này
sẽ tính toán với C = 0,3. các thành phần suy hao và tán xạ gây ra bởi phân tử
khí có thể xác định từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn hoặc số liệu thám không
khí quyển nếu có, do vậy chỉ còn hai thành phần tán xạ và suy hao gây ra bởi
xon khí là cần được tính toán. Với mối liên hệ giữa và đã được nêu
trong chương 1, tỉ số LIDAR được biểu diễn như sau:
Error! No text of specified style in document.-8
tương tự ta có tỉ số LIDAR đối với phân tử khí:
Error! No text of specified style in document.-9
Với các thông số trên, phương trình LIDAR với thành phần tán xạ
ngược được giải như sau:
Error! No text of specified style in document.- 10
30
Nếu có thông tin về các thông số khí quyển tại một độ cao tham chiếu
nhất định thì phương trình 2-4 sẽ được biến đổi như sau:
Error! No text of specified style in document.- 11
Với là tín hiệu LIDAR đã được hiệu chỉnh khoảng cách. Hệ
số tán xạ ngược tổng cộng được biểu diễn là hàm của sự tán xạ tại độ cao
tham chiếu.
Thành phần hàm mũ trong phương trình 2-5 được đơn giản hóa để tiện
cho quá trình tính toán với dạng:
Error! No text of specified style in document.-12
Thay 2-6 và 2-5 ta có phương trình để tính toán hệ số tán xạ tại điểm
liền kề có độ cao lớn hơn với độ cao tham chiếu với khoảng
cách :
Error! No text of specified style in document.- 13
Tương tự, nhưng với điểm có độ cao thấp hơn độ cao tham
chiếu với khoảng cách :
31
Error! No text of specified style in document.- 14
Diễn giải dối với hệ số suy hao:
Error! No text of specified style in document.- 15
Error! No text of specified style in document.- 16
Với trường hợp khí quyển có độ vẩn đục cao thì thành phần
tán xạ ngược phân tử có thể bỏ qua, phương trình 2-8 và 2-10 trở về dạng
phương pháp điểm biên xa cho 1 thành phần khí quyển của Klett có dạng:
Error! No text of specified style in document.-17
Error! No text of specified style in document.-18
32
2.1.7. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển
Xác định độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi
hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform)
Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao lớp biên từ số
liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet
Covariance Transform) [9]. Biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet
Covariance Transform) được định nghĩa bởi Gamage và Hagelberg (1993) là
một phương tiện để phát hiện các thay đổi bước trong tín hiệu [31].
Phương pháp này dựa trên hàm bước Haar h, được xác định như sau:
Error! No text of specified style in document.-19
trong đó z là độ cao, b là vị trí mà tại đó hàm Haar ở chính giữa – sự chuyển
đổi của hàm, và a là mức độ không gian, hoặc giãn nở của hàm. Từ đó biến
đổi hiệp phương sai của hàm Haar được xác định như sau:
Error! No text of specified style in document.-20
Với f(z) là tín hiệu LIDAR cần tính toán, zt và zb là độ biên trên và biên dưới
của tín hiệu. Độ cao lớp biên được xác định là điểm có giá trị lớn nhất trên tín
hiệu được áp dụng biến đổi WCT. Trong luận văn này tham số a được chọn
với giá trị 60m.
33
Hình Error! No text of specified style in document..9 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT
Xác định độ cao lớp biên từ số liệu thám không bằng phương pháp
Heffter
Phương pháp này được đưa ra bởi Heffter năm 1980, sử dụng nhiệt độ
thế vị để xác định độ cao lớp biên như sau: Giai đoạn 1 – bước (1) Xác định
lớp nghịch đảo có Gradient nhiệt độ thế vị tối thiểu là 0.005 K/m, bước (2)
sau đó độ cao lớp biên sẽ được xác định bằng cách tìm điểm có nhiệt độ thế vị
lớn hơn 2 K so với điểm nghịch đảo tìm được trong bước (1). Nếu hai bước
trên không xác định được độ cao lớp biên thì tiếp tục thực hiện giai đoạn 2, độ
cao lớp biên được xác định tại nơi có gradient nhiệt độ thế vị lớn nhất [32].
Error! No text of specified style in document.-21
Trong đó:
: Nhiệt độ thế vị (K)
34
: Độ cao (m)
35
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR
3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán
Hình Error! No text of specified style in document..10 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu
Số liệu thô sau khi thu được là số liệu bao gồm cả nhiễu nền, nhiễu nền
được hiểu là loại nhiễu gây ra bởi môi trường xung quanh như ánh sáng đô
thị, ánh sáng từ mặt trời và loại nhiễu này cần được loại bỏ khi xử lý số liệu
36
LIDAR. Trên hình Hình Error! No text of specified style in document..11
là một tín hiệu trước và sau khi loại bỏ nhiễu nền.
Bước 1: Chuyển đổi định dạng số liệu đo LIDAR từ text sang NetCDF.
Bước 2: Chạy chương trình chính, trong chương trình này sẽ thực hiện
các công việc cơ bản như sau:
- Loại bỏ nhiễu nền:
Trong thuật toán xử lý số liệu, phần nhiễu nền đa phần được lấy trung
bình trong khoảng 1000 điểm số liệu thô cuối cùng của tín hiệu thu được, điều
này đảm bảo sự dao động của nhiễu nền không làm ảnh hưởng tới kết quả xử
lý số liệu, với một vài trường hợp đặc biệt thì nhiễu nền được lấy riêng biệt so
với tín hiệu bằng cách thực hiện phép đo như bình thường và không phát laser
vào khí quyển, nhiễu nền loại này được lấy trước, trong và sau khi kỳ quan
trắc được thực hiện. Một ví dụ về loại bỏ nhiễu nền được minh họa trong
Hình Error! No text of specified style in document..11.
37
Hình Error! No text of specified style in document..11 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi loại bỏ nhiễu nền (màu cam)
- Tính hàm chồng chập:
Hệ LIDAR IGP có cấu tạo hai trục cho Laser và hệ quang học thu, đo
đó sẽ có một khoảng nhất định trước khi tia laser đi hoàn toàn vào vùng nhìn
của kính viễn vọng, và vấn đề này được biểu diễn bằng hàm chồng chập, đối
với hệ thống LIDAR IGP tia laser và vùng nhìn của kính viễn vọng sẽ chập
hoàn toàn ở độ cao trên 55m.
- Hiệu chỉnh khoảng cách
Trong phương trình LIDAR được trình bày ở chương 1 có thành phần
, thành phần này làm cho tín hiệu đo được giảm mạnh theo khoảng cách
vì sự giảm của góc khối tính từ kính viễn vọng theo khoảng cách. Để loại bỏ
sự ảnh hưởng này, tín hiệu LIDAR thường được biến đổi sang dạng hiệu
chỉnh khoảng cách trước khi tính toán. Việc này được thực hiện bằng cách
38
nhân tín hiệu tại điểm với bình phương khoảng cách , thu được tín hiệu
hiệu chỉnh khoảng cách [33].
Hình Error! No text of specified style in document..12 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng cách
- Chọn tỉ số LIDAR
Để đánh giá ảnh hưởng của việc chọn độ tỉ số LIDAR tới kết quả tính
toán thì độ cao tham chiếu được cố định tại 5000m và tỉ số LIDAR được thay
đổi, kết quả cho thấy với trường hợp ngày 9/3/2018 trên Hình Error! No text
of specified style in document..13 thì thay đổi tỉ số LIDAR cũng làm cho kết
quả thay đổi tuy nhiên không có quy luật nào thể hiện sự thay đổi này, việc
chọn tỉ số LIDAR còn phụ thuộc nhiều vào khu vực nghiên cứu, khu vực đặt
máy và thường được chọn từ các nghiên cứu thực nghiệm.
39
Theo Takamura và Sasano năm 1990, tỉ số LIDAR cho tầng đối lưu
thấp nằm trong khoảng 30sr – 65sr [34]. Trong luận văn này, tỉ số LIDAR
được chọn dựa trên nghiên cứu này và cố định tỉ số LIDAR với các trường
hợp cụ thể là Lp = 40sr.
Hình Error! No text of specified style in document..13 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các tỉ số LIDAR Lp khác nhau với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018
- Chọn độ cao tham chiếu
Việc lựa chọ độ cao tham chiếu là một bước quan trọng vì sự thay đổi
độ cao tham chiếu có thể dẫn đến sự sai lệch trong kết quả tính toán. Như trên
Hình Error! No text of specified style in document..14 độ cao tham chiếu
được thay đổi từ 2000m tới 7000m với bước chạy 1000m, tỉ số LIDAR cố
định là Lp = 40sr , kết quả cho thấy khi độ cao tham chiếu tang lên thì hệ số
suy hao tính toán được có xu hướng giảm đi. Theo nghiên cứu của Mattis thì
độ cao tham chiếu nên chọn trong khoảng 5000-7000m, là khu vực hầu như
không có sự hoạt động của xon khí [35].
Do đó trong luận văn này các trường hợp nghiên cứu sẽ lấy độ cao
5000m làm độ cao tham chiếu.
40
Hình Error! No text of specified style in document..14 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các độ cao tham chiếu khác nhau với Lp = 40sr, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018
- Tính toán các thông số khí quyển theo phương pháp đã trình bày trong
chương 2.
3.1.2. Chương trình tính
Dựa trên cơ sở phương pháp điểm biên, phương pháp xác định độ cao
lớp biên khí quyển và các số liệu đầu vào, chương trình tính toán được xây
dựng theo sơ đồ thuật toán nêu trong đầu chương 3 phục vụ cho việc xử lý và
lưu trữ số liệu, chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, số liệu
và kết quả tính toán được lưu trữ dưới định dạng NerCDF.
Các phần trong chương trình tính được viết dưới dạng các function hay
các hàm tính toán. Toàn bộ mã nguồn của chương trình tính được nêu trong
phần phụ lục II. Các hàm tính được diễn giải như sau:
txt2nc: hàm này có nhiệm vụ chuyển đổi số liệu do LIDAR thô sau khi
quan trắc từ định dạng text sang NetCDF, ngoài ra toàn bộ các thông số trong
kỳ quan trắc cũng được ghi vào file, phục vụ lưu trữ và tính toán sau này.
41
Yêu cầu đầu vào:
- RAW_PATH: đường dẫn thư mục chứa số liệu đo LIDAR
- LIDAR_CONFIG_PATH: file chứa thông số kỳ quan trắc
- result_path: đường dẫn cho file NetCDF
run_main: Chương trình chính đảm nhiệm việc gọi các hàm tính toán
và trả về kết quả tính toán, ghi lại kết quả vào file NetCDF.
Yêu cầu đầu vào:
- Đường dẫn tới thư mục số liệu
- Thông tin về thời gian quan trắc
- Tỉ số LIDAR
- Độ cao tham chiếu
- Hệ số a trong phương pháp WCT
run_fernald84: Hàm tính toán các thông số khí quyển từ số liệu
LIDAR
Yêu cầu đầu vào:
- Đường dẫn tới thư mục số liệu LIDAR
- Đường dẫn tới thư mục số liệu bóng thám không, nếu không có chương
trình tự động chuyển sang sử dụng số liệu mô hình khí quyển ISA.
- Tỉ số LIDAR
- Độ cao tham chiếu
- Hệ số a trong phương pháp WCT
Đầu ra:
- Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách
- Độ cao lớp biên
- Hệ số suy hao xon khí
- Hệ số tán xạ ngược xon khí
42
cal_alpha_beta: Hàm tính toán hệ số suy hao xon khí và hệ số thán xạ
ngược xon khí
wct: Hàm tính độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR
cal_sounding: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược
phân tử từ số liệu bóng thám không.
cal_std_atm: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược phân
tử từ số liệu mô hình khí quyển ISA.
overlap_func: Hàm tính hàm chồng chập của hệ thống LIDAR.
Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể
3.1.3. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc
bằng thiết bị LIDAR IGP
Kỳ quan trắc ngày 09/03/2018: được thực hiện trong khoảng 13 phút,
tổng số xung Laser được phát đi và thu về tại cảm biến là khoảng 7800 xung,
số xung tín hiệu ghi được về máy tính là 2001 xung với mỗi xung chứa thông
tin của 512 xung tín hiệu thực tế được trung bình. Tại thời điểm quan trắc,
trong tầm nhìn của hệ LIDAR hầu như không tồn tại mây.
Hệ thống LIDAR được thiết lập quan trắc với góc ngẩng 25o, hướng
chiếu về phía Đông, độ phân giải theo phương truyền của LIDAR đạt 3m và
độ phân giải thẳng đứng đạt 1,267m.
Tín hiệu được xử lý thô theo sơ đồ thuật toán, loại bỏ nhiễu nền và thực
hiện hiệu chỉnh khoảng cách, sau đó thông số đầu tiên được chiết suất là độ
cao lớp biên khí quyển bằng phương pháp WCT, kết quả cho thấy trong kỳ
quan trắc này, độ cao lớp biên trung bình là 742.3 m, thể hiện trên Hình
Error! No text of specified style in document..15.
43
Hình Error! No text of specified style in document..15 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/03/2018 (Giờ UTC)
Hệ số suy hao được tính toán bằng phương trình 2-10 với tiến trình tích
phân ngược từ điểm tham chiếu về mực thấp hơn, độ cao tham chiếu là
5000m, tỉ số LIDAR Lp = 40 sr. Qua kết quả tính toán, kỳ quan trắc này cho
thấy có 3 lớp xon khí tồn tại trong tầng đối lưu, lớp dưới cùng được giới hạn
bởi lớp biên khí quyển, lớp ở giữa cho thấy sự suy giảm ở hệ số suy hao có độ
cao từ 750m cho tới khoảng 2200m, lớp trên cùng từ 2200m trở lên tới
3500m, kết quả tính toán cho một xung đơn được thể hiện trên Hình Error!
No text of specified style in document..16, mô tả kết quả tính toán theo thời
gian được thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in
document..17.
Từ kết quả tính toán hệ số suy hao, độ dày quang học xon khí được tính
toán cho thấy với xung đơn trên hình Hình Error! No text of specified style
in document..16 độ dày quang học xon khí tăng từ dưới lên trên và hầu như
không đổi sau khi đạt độ cao trên 3500m, tổng AOD cho toàn khoảng tính
44
toán đạt 0,76, số liệu AOD ngày từ AERONET là 0,55 tại bước sóng 500nm
(Hình Error! No text of specified style in document..18).
Hình Error! No text of specified style in document..16 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:21 ngày 09/03/2018.
Hình Error! No text of specified style in document..17 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018.
45
Hình Error! No text of specified style in document..18 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018
Kỳ quan trắc ngày 09/04/2018: Tiến trình xử lý tương tự kỳ quan trắc
ngày 09/03/2018.
Kết quả tính toán độ cao lớp biên trung bình trong cả kỳ quan trắc bằng
phương pháp WCT đối với số liệu LIDAR là 994,4956m và từ bóng thám
không là 789,2919m (Hình Error! No text of specified style in
document..19 Hình Error! No text of specified style in document..20).
46
Hình Error! No text of specified style in document..19 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC)
Kết quả tính toán hệ số suy hao cũng cho thấy có 3 lớp xon khí tồn tại
trong khí quyển, tương tự với kỳ quan trắc ngày 09/03/2018 tuy nhiên có sự
khác biệt về độ cao của các lớp này. Lớp thứ nhất ở phía dưới độ cao lớp biên
khí quyển, lớp tiếp theo từ độ cao lớp biên cho tới khoảng 1,5km, lớp trên từ
khoảng 1,5km cho tới khoảng 3km (Hình Error! No text of specified style in
document..22).
Độ dày quang học xon khí cũng được tính toán, với xung đơn trên Hình
Error! No text of specified style in document..21 cho thấy AOD tăng liên
tục cho tới độ cao 3500m thì bắt đầu giữ mức ổn định, tổng AOD cho xung
đơn là 0.87, trung bình tổng AOD cho cả kỳ quan trắc đạt 0,77, số liệu AOD
ngày từ AERONET là 0,717 tại bước sóng 500nm (Hình Error! No text of
specified style in document..23).
47
Hình Error! No text of specified style in document..20 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018
Hình Error! No text of specified style in document..21 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày 09/04/2018.
48
Hình Error! No text of specified style in document..22 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018
49
Hình Error! No text of specified style in document..23 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018
3.1.4. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017
Kỳ quan trắc được thực hiện trong khoảng 35 phút, chế độ đo trung
bình 512 xung tương đương một xung ghi lại là số liệu trung bình trong 51,2
giây. Do đặc tính số liệu tại đô cao càng lớn thì tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu cao
nên trong lỳ quan trắc mây Ci này một bộ khuyếch đại được sử dụng để
khuếch đại tín hiệu, việc này đồng nghĩa với tín hiệu tại mực thấp hơn 1,5km
sẽ không có ý nghĩa (Hình Error! No text of specified style in
document..26a). Tuy nhiên nhờ việc sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu nên lớp
mây Ci trên cao đã hiện rõ hơn và dễ nhận biết hơn (Hình Error! No text of
specified style in document..24).
50
Hình Error! No text of specified style in document..24 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
Theo biểu đồ lát cát theo thời gian tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách cho
kỳ quan trắc này, có thể nhận thấy một lớp mây Ci độ dày khoảng 700 m tồn
tại từ khoảng 9 km tới 9,7 km (Hình Error! No text of specified style in
document..24).
Theo kết quả tính toán, hệ số suy hao của lớp mây Ci này đạt giá trị lớn
nhất khoảng 1x10-4/m tại độ cao khoảng 9400m (Hình Error! No text of
specified style in document..25, Hình Error! No text of specified style in
document..26).
51
Hình Error! No text of specified style in document..25 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
Hình Error! No text of specified style in document..26 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày 25/12/2018.
52
3.1.5. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và
bóng thám không
Trên Hình Error! No text of specified style in document..27 và Hình
Error! No text of specified style in document..28 là hai trường hợp cụ thể
về độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu
LIDAR MLPNET. Kết quả cho thấy độ cao lớp biên tính toán được từ hai bộ
số liệu này cho kết quả sai khác với nhau không nhiều, có trường hợp cho sai
khác rất nhỏ (00h00 UTC ngày 29/09/2012).
Trong trường hợp ngày 01/06/2012, độ cao lớp biên lúc 00h UTC cho
thấy giá trị cao hơn với số liệu bóng thám không và lúc 12h UTC thì cao hơn
với số liệu LIDAR MPLNET.
Với trường hợp ngày 29/09/2012 thì tại lúc 00h UTC thì độ cao lớp
biên tính từ hai nguồn số liệu trên có độ sai khác không nhiều, khoảng 30 m,
số liệu LIDAR cho độ cao lớn hơn. Tại 12h UTC cho thấy có sự sai lệch khá
lớn (khoảng 400m) giữa hai nguồn số liệu này.
53
Hình Error! No text of specified style in document..27 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC.
Hình Error! No text of specified style in document..28 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC
54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong luận văn này đã thực hiện được các công việc xử lý tính toán,
phân thích và đánh giá các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR cho một số
trường hợp cụ thể bằng hai bộ số liệu LIDAR MPLNET và LIDAR IGP, các
kết quả thu được được đã được so sánh đánh giá với các nguồn số liệu tham
chiếu là số liệu bóng thám không cho việc tính hệ số suy hao gây ra bởi xon
khí bằng phương pháp điểm biên, tính độ cao lớp biên bằng phương pháp biến
đổi hiệp phương sai, số liệu AOD từ AERONET cho việc tính toán AOD từ
số liệu LIDAR IGP . Các kết quả thu được cụ thể như sau:
Xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý số liệu -
cho hệ thống LIDAR IGP.
- Tính toán và phân tích được các thông số khí quyển cho
một số trường hợp nghiên cứu, cụ thể là các kỳ quan trắc xon khí
ngày 09/03/2018 và 09/04/2018 bằng thiết bị LIDAR IGP, độ dày
quang học xon khí được so sánh với số liệu từ máy đo quang phổ kế
AERONET và cho kết quả tốt vào kỳ quan trắc ngày 09/04/2018
(LIDAR: 0.77 và AERONET: 0.717), kỳ quan trắc còn lại cho kết
quả có sự sau khác (LIDAR: 0.76 và AERONET: 0.55).
- Tính toán và phân tích được một trường hợp quan trắc
mây Ci trên cao tại khu vực Hà Nội ngày 25/12/2017, lớp mây Ci
quan trắc được có độ dày khoảng 700m và nằm ở độ cao từ 9 km tói
9,7 km, phù hợp với các đặc điểm khí hậu tại Việt Nam.
- Tính toán được độ cao lớp biên từ hai nguồn số liệu
LIDAR và bóng thám không, kết quả cho thấy có sự sai khác không
nhiều giữa hai bộ số liệu này.
55
- Một bộ số liệu LIDAR được thành lập lưu trữ với định
dạng NetCDF để phục vụ cho lưu trữ và các nghiên cứu sau này.
Số lượng các trường hợp cụ thể được sử dụng trong luận văn tuy chưa
nhiều nhưng đa phần cho kết quả khả quan, cho thấy được sự tin cậy của các
bộ số liệu và thiết bị LIDAR quan trắc khí quyển.
Với các kết quả đạt được trong luận văn và hiện trạng về nghiên cứu
ứng dụng LIDAR trong quan trắc khí quyển ở trong và ngoài nước cho thấy
sự hạn chế về thiết bị dẫn tới nhiều mảng quan trắc có thể sử dụng LIDAR
vẫn còn bỏ ngỏ, trong các nghiên cứu tiếp theo cần có sự nâng cấp về thiết bị
và tăng cường nghiên cứu chuyên sâu về các quá trình vi vật lý của các đối
tượng trong khí quyển có thể quan trắc bằng LIDAR để áp dụng công nghệ
này rộng rãi hơn.
56
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
Elsevier, Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, in Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, G.R. North, J. Pyle, and F. Zhang, Editors. 2015, Elsevier.
2.
Hulbert, E.O., Observations of a Searchlight Beam to an Altitude of 28 Kilometers. J. Optical Soc. Amer, 1937. 27.
3.
Fiocco, G. and Smullin, L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60–140 km) by Optical Radar. Nature, 1963. 199: p. 1275–1276.
4.
Ligda, M.G.H. Meteorological observations with pulsed laser radar. in The 1st Conferenceon Laser Technology. 1963. San Diego, CA, U.S. Navy ONR.
5. Fujii, T. and Fukuchi, T., eds. Laser Remote Sensing. 2005, CRC Press.
6.
Fernald, F.G., Herman, B.M., and Reagan, J.A., Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar. J. Appl. Meteorol, 1972. 11: p. 482-489.
7.
Klett, J.D., Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. Appl Opt, 1981. 20(2): p. 211-220.
8.
Fernald, F.G., Analysis of atmospheric lidar observations: some comments. Appl Opt, 1984. 23(5): p. 652.
9.
Brooks, I.M., Finding Boundary Layer Top: Application of a Wavelet Covariance Transform to Lidar Backscatter Profiles. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003. 20(8): p. 1092-1105.
10. Chan, P.W., Determination of Backscatter-Extinction Coefficient Ratio for LIDAR-Retrieved Aerosol Optical Depth Based on Sunphotometer Data. Remote Sensing, 2010. 2(9): p. 2127-2135.
11. Porter, J.N., Lienert, B.R., Sharma, S.K., et al., A Small Portable Mie – Rayleigh Lidar System to Measure Aerosol Optical and Spatial Properties. American Meteorological Society, 2002: p. 1873-1877.
12. Ware, J., Kort, E.A., DeCola, P., et al., Aerosol lidar observations of atmospheric mixing in Los Angeles: Climatology and implications for greenhouse gas observations. J Geophys Res Atmos, 2016. 121(16): p. 9862-9878.
57
13. Mei, L., Guan, P., Yang, Y., et al., Atmospheric extinction coefficient retrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidar technique. Opt Express, 2017. 25(16): p. A628-A638.
14. Liu, Q., He, Q., Fang, S., et al., Vertical distribution of ambient aerosol extinctive properties during haze and haze-free periods based on the Micro-Pulse Lidar observation in Shanghai. Sci Total Environ, 2017. 574: p. 1502-1511.
15. Anh, N.X. and Quan, L.N., Nghiên cứu ứng dụng LIDAR trong nghiên cứu mây Ci. Tuyển tập các công trình nghiên cứu Viện Vật lý địa cầu. 2008.
16. Anh, N.X., Nghiên cứu đánh giá thông lượng và các đặc trưng cơ bản của sol khí (aerosol) và đề xuất các giải pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng công tác dự báo thời tiết, ứng phó biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường. 2014.
17. Thành, P.X., Anh, N.X., Trung, Đ.V., et al., Nghiên cứu thông số khí quyển sử dụng quan trắc vệ tinh và đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng của khí quyển lên chất lượng ảnh vệ tinh”, Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước về công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012 – 2015. 2016.
18. Tuan, A.D., Anh, N.X., and Hung, T.P., The Simulation of aerosol lidar developed at the Institute of Geophysics, in The International Conference on Research Development and Cooperation in Geophysics. 2017, Publishing House For Science and Technology: Hanoi.
19. Tuan, N.X., Trung, D.V., Binh, N.T., et al., Measurement of the Upper Tropospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi Using a Raman Lidar. Communications in Physics, 2016. 24(3S2).
20. Tuan, N.X., Trung, D.V., and Binh, N.T., Measurements of the Stratospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi by a Rayleigh Lidar.pdf. Communications in Physics, 2014. 24(3): p. 247-256.
21. Hai, B.V., Tuan, N.X., Hoang, N.D., et al., Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact lidar system with a high power diode laser at 905 nm, in The Third National Conference on Technical and Applied Physics. 2013: Hue.
22. Hai, B.V., Trung, D.V., Tuan, N.X., et al., Determination of atmospheric aerosol extinction profiles with a raman lidar system over Hanoi. Advances in Optics, Spectroscopy and Applications VII. 2012.
58
23. Boubel, R.W., Fox, D.L., Turner, D.B., et al., Fundamentals of Air
Pollution. 3rd ed. 1994: Academic Press.
24. Ahrens, C.D., Essentials of Meteorology: An Invitation to the
Atmosphere. 6th ed. 2010: Cengage Learning.
25. Springer, Lidar Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer Series in Optical Sciences, ed. W.T. Rhodes. 2005: Springer.
26.
the Fifth Assessment Report of to
IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I the Intergovernmental Panel on Climate Change, T.F. Stocker, D. Qin, G.- K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley, Editor. 2013: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
27. https://mplnet.gsfc.nasa.gov/.
28. https://aeronet.gsfc.nasa.gov/
29. http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html.
30. Kunz, G.J. and de Leeuw, G., Inversion of lidar signals with the slope
method. Appl Opt, 1993. 32(18): p. 3249-56.
31. Gamage, N. and Hagelberg, C., Detection and Analysis of Microfronts and Associated Coherent Events Using Localized Transforms. Journal of the Atmospheric Sciences, 1993. 50(5): p. 750-756.
32. Heffter, J.L. Transport layer depth calculations. in The 2nd Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology. 1980. New Orleans, La, USA.
33. Kovalev, V.A. and Eichinger, W.E., Elastic Lidar Theory, Practice,
and Analysis Methods. 2004: Wiley.
34. Takamura, T. and Sasano, Y., Aerosol optical properties inferred from simultaneous lidar, aerosol-counter, and sunphotometer measurements. Meteorological Society of Japan Journal, 1990. 68(Dec. 1990): p. 729- 739.
35. Mattis,
I., Müller, D., Ansmann, A., et al., Ten years of multiwavelength Raman lidar observations of free-tropospheric aerosol layers over central Europe: Geometrical properties and annual cycle. Journal of Geophysical Research, 2008. 113(D20).
59
