Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu xác định một số chỉ tiêu khí tượng bằng ảnh vệ tinh ở tỉnh Thanh Hóa

Chia sẻ: Diệp Nhất Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này nghiên cứu xác định các chỉ tiêu nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và lượng mưa ngày từ ảnh viễn thám. Xây dựng mô hình tương quan các yếu tố khí tượng tính toán từ ảnh viễn thám và từ trạm quan trắc. Đề xuất phương pháp quan trắc các chỉ tiêu khí tượng bằng ảnh vệ tinh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu xác định một số chỉ tiêu khí tượng bằng ảnh vệ tinh ở tỉnh Thanh Hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU KHÍ TƯỢNG BẰNG ẢNH VỆ TINH Ở TỈNH THANH HÓA CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG MÃ NGÀNH: 8850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHÙNG VĂN KHOA Hà Nội, 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá luận văn của Hội đồng khoa học. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Người cam đoan Nguyễn Việt Anh
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân, tập thể giúp tôi hoàn thành tốt bản luận văn này. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo tại Trường Đại học Lâm nghiệp đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập của khóa Cao học 2018 - 2020; đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phùng Văn Khoa đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành bản Luận văn này. Mặc dù bản thân đã rất nỗ lực nghiên cứu, nhưng do điều kiện tác nghiệp thực hiện đề tài trên địa bàn tương đối rộng, thời gian ngắn nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được ý kiến tham gia góp ý của các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp để bản Luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Học viên Nguyễn Việt Anh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................viii ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................ 1 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 3 1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 3 1.2. Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định một số tham số khí quyển ....... 4 1.2.1. Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất. ......... 4 1.2.2. Ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng hơi nước và độ ẩm không khí .................................................................................................................................. 9 1.2.3. Ứng dụng viễn thám ước tính lượng mưa ...................................... 13 Chương 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................ 20 2.1. Mục tiêu nghiên cứu. ........................................................................................20 2.1.1. Mục tiêu tổng quát.......................................................................... 20 2.1.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................... 20 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ..................................................................20 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu..................................................................... 20 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu. ....................................................................... 20 2.3. Nội dung nghiên cứu. .......................................................................................21 2.3.1. Cơ sở khoa học xác định các yếu tố nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối không khí và lượng mưa từ ảnh viễn thám. ............................. 21 2.3.2. Xây dựng mô hình tương quan các yếu tố khí tượng tính toán từ
iv ảnh viễn thám và từ trạm quan trắc. ........................................................ 21 2.3.3. Đề xuất phương pháp xác định yếu tố khí tượng từ ảnh vệ tinh tại khu vực nghiên cứu................................................................................... 21 2.4. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................21 2.4.1. Phương pháp kế thừa số liệu của các nghiên cứu trên thế giới .... 21 2.4.2. Phương pháp sử dụng công nghệ xử lý ảnh số và GIS .................. 24 2.4.3. Phương pháp khảo sát, thử nghiệm, phân tích và so sánh ............ 30 Chương 3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 33 3.1. Điều kiện tự nhiên.............................................................................................33 3.1.1. Tọa độ địa lý. .................................................................................. 33 3.1.2. Địa chất. ......................................................................................... 34 3.1.3. Địa hình .......................................................................................... 35 3.1.4. Đặc điểm khí hậu............................................................................ 37 3.1.5. Đặc điểm thuỷ văn .......................................................................... 39 3.1.6. Đặc điểm thực vật. ......................................................................... 41 3.2. Điều kiện kinh tế, xã hội...................................................................................42 3.2.1. Tăng trưởng kinh tế ........................................................................ 42 3.2.2. Tình hình phát triển các ngành, lĩnh vực ....................................... 42 3.2.3. Văn hóa, xã hội............................................................................... 44 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................ 47 4.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU..............................................................................47 4.1.2. Xây dựng mô hình tương quan yếu tố khí tượng tính toán từ ảnh viễn thám và từ trạm quan trắc. ............................................................... 47 4.1.3. Đề xuất các phương pháp xác định yếu tố khí tượng từ ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu................................................................................... 49 4.2. Thực nghiệm tính nhiệt độ không khí bằng dữ liệu viễn thám.....................52 4.2.1. Dữ liệu viễn thám và dữ liệu quan trắc.......................................... 52
v 4.2.2. Thực nghiệm tính toán nhiệt độ không khí. .................................... 56 4.3. Thực nghiệm tính độ ẩm tương đối bằng dữ liệu viễn thám.........................67 4.3.1. Dữ liệu viễn thám và dữ liệu quan trắc .......................................... 67 4.3.2. Thực nghiệm tính toán độ ẩm tương đối ........................................ 71 4.4. Hiệu chỉnh lượng mưa ......................................................................................81 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 93
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa AVHRR Advanced very-high-resolution radiometer BĐKH Biến đổi khí hậu The Climate Prediction Center Merged Analysis of CMAP Precipitation CST Convective–Stratiform Technique eTRaP Ensemble Tropical Rainfall Potentia GOES-1 Geosynchronous Operational Environmental Satellite GPCP The Global Precipitation Climatology Project GSMaP JAXA Global Rainfall Watch IFFA Interactive Flash Flood Analyzer MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer National Environmental Satellite, Data, and Information NESDIS Service NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration OSPO The Office of Satellite Products and Operations - NOAA POES Polar Operational Environmental Satellites SMMR Scanning Multichannel Microwave Radiometer TRMM The Tropical Rainfall Measuring Mission VIS/IR Visible/ Infrared WCRP World Climate Research Program
vii DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1. Dữ liệu nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu MODIS..............................................53 Bảng 4.2. Số liệu nhiệt độ không khí từ trạm quan trắc ...........................................56 Bảng 4.3. Số liệu hồi quy nhiệt độ không khí ngày 11/12/2019 lúc 11h................60 Bảng 4.4. Số liệu hồi quy nhiệt độ không khí ngày 11/12/2019 lúc 14h ................61 Bảng 4.5. Số liệu hồi quy nhiệt độ không khí ngày 29/09/2019 lúc 11h................61 Bảng 4.6. Số liệu hồi quy nhiệt độ không khí ngày 29/09/2019 lúc 14h ................62 Bảng 4.7. Dữ liệu tổng cột hơi nước ..........................................................................67 Bảng 4.8. Dữ liệu độ ẩm tương đối tại trạm ..............................................................71 Bảng 4.9. Dữ liệu sức trương hơi nước bão hoà tại trạm .........................................72 Bảng 4.10. Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 29/09/2019 13h với 7 trạm ....75 Bảng 4.11. Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 11/12/2019 13h với 7 trạm ....76 Bảng 4.12. Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 29/09/2019 13h với 6 trạm ....77 Bảng 4.13. Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 11/12/2019 13h với 6 trạm ....78 Bảng 4.14. Dữ liệu tổng lương mưa từ 7 trạm trong 24h (mm/24h).......................84 Bảng 4.15. Dữ liệu tổng lương mưa từ 7 trạm trong 48h (mm/48h).......................85
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Mạng lưới ô vuông đều...............................................................................25 Hình 2.2. Dữ liệu dạng Grid được lưu trữ trong tệp .................................................26 Hình 2.3: Chuyển đổi từ dạng txt sang dạng shp trong ArcGIS ..............................27 Hình 2.4: Grid đã được chuyển từ dạng txt sang dạng vector .................................27 Hình 2.5: Sử dụng công cụ chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster ......................28 Hình 2.6: Kết quả chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster......................................28 Hình 2.7: Giao diện thiết lập thông số chồng lớp dữ liệu raster ..............................29 Hình 2.8: Giao diện thiết lập thông số Regression....................................................32 Hình 3.1. Bản đồ hành chính tỉnh Thanh Hóa..........................................................33 Hình 4.1. Mô hình số khu vực nghiên cứu ................................................................54 Hình 4.2. Chỉ số NDVI nửa cuối tháng 9 năm 2019 ................................................55 Hình 4.3. Chỉ số NDVI nửa đầu tháng 12 năm 2019 ...............................................55 Hình 4.4. Mô hình số địa hình tại khu vực đã được cắt ghép và xử lý ...................57 Hình 4.5. Chỉ số NDVI đã xử lý ngày 29/09/2019 ...................................................57 Hình 4.6. Chỉ số NDVI đã xử lý ngày 11/12/2019 ...................................................58 Hình 4.7. Nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS ngày 29/09/2019 lúc 11h. ....................59 Hình 4.8. Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí ngày 29/09/2019 lúc 11h ...............63 Hình 4.9. Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí ngày 29/09/2019 lúc 14h ...............64 Hình 4.10. Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí ngày 11/12/2019 lúc 11h .............65 Hình 4.11. Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí ngày 11/12/2019 lúc 14h .............66 Hình 4.12. Bản đồ phân bố tổng lượng hơi nước trong không khí ngày 29/09/2019 lúc 13h50’ .....................................................................................................................69 Hình 4.13. Bản đồ phân bố tổng lượng hơi nước trong không khí ngày 11/12/2019 lúc 13h45’ .....................................................................................................................70 Hình 4.14. Tổng cột hơi nước ngày 11/12/2019 13h................................................72 Hình 4.15. Tổng cột hơi nước ngày 29/09/2019 13h................................................73
ix Hình 4.16. Sức trương hơi nước bão hoà ngày 11/12/2019 13h .............................73 Hình 4.17. Sức trương hơi nước bão hoà ngày 29/09/2019 13h .............................74 Hình 4.18. Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối trong không khí ngày 29/09/2019 lúc 13h50’............................................................................................................................79 Hình 4.19. Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối trong không khí ngày 11/12/2019 lúc 13h45’............................................................................................................................80 Hình 4.20. Biểu đồ lượng mưa trong 48 h từ ngày 16 – 17/07/2018 tại 7 trạm (màu xanh), dữ liệu vệ tinh (màu cam). ...............................................................................83 Hình 4.21. Biểu đồ lượng mưa 24h tại trạm (màu xanh), dữ liệu vệ tinh (màu cam), dữ liệu hiệu chỉnh (màu xám)...........................................................................85 Hình 4.22. Biểu đồ lượng mưa 48h tại trạm (màu xanh), dữ liệu vệ tinh (màu cam), dữ liệu hiệu chỉnh (màu xám)...........................................................................86 Hình 4.23. Bản đồ lượng mưa 24h ngày 16/07/2018 ...............................................87 Hình 4.24. Bản đồ lượng mưa sau hiệu chỉnh 24h ngày 16/07/2018......................88 Hình 4.25. Bản đồ lượng mưa 48h ngày 16-17/07/2018..........................................89 Hình 4.26. Bản đồ lượng mưa sau hiệu chỉnh 48h ngày 16-17/07/2018 ................90
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thanh Hóa là một tỉnh lớn của Bắc Trung Bộ, nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa ẩm với mùa hè nóng, mưa nhiều, có gió Tây khô nóng; mùa đông lạnh ít mưa có sương giá, sương muối lại có gió mùa Đông Bắc theo xu hướng giảm dần từ biển vào đất liền, từ Bắc xuống Nam. Đôi khi có hiện tượng dông, sương mù, sương muối làm ảnh hưởng không nhỏ tới cây trồng nông nghiệp. Thanh Hóa hằng năm thường xuyên chịu tác động của thiên tai, bão lũ làm thiệt hại về người và tài sản, tác động tiêu cực đến hoạt động sản xuất và đời sống. Khai thác và sử dụng tài nguyên khí hậu đúng cách sẽ góp phần to lớn cho sự phát triển của mỗi khu vực. Nhưng để khai thác chúng một cách thuận lợi cũng như khắc phục được những hạn chế, bất lợi đó thì đòi hỏi mỗi người chúng ta phải có kiến thức hiểu biết và quy luật biến đổi của các yếu tố khí hậu, nhằm biến chúng thành nguồn lực có lợi cho sự phát triển mà không đem lại ảnh hưởng xấu đến các hoạt động sản xuất, đời sống và dân sinh. Hiểu biết, nắm vững quy luật phân bố, diễn biến của các yếu tố khí hậu không những giúp con người sử dụng, khai thác hợp lý tài nguyên khí hậu mà còn tạo tiền đề cho các quá trình quy hoạch, phát triển kinh tế-xã hội vùng, quốc gia và khu vực. Với tình hình biến đổi khí hậu hiện nay, sự biến động của các yếu tố khí hậu càng trở nên phức tạp. Đặc biệt các yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa là ba yếu tố đóng vai trò vô cùng quan trọng của khí hậu ở một khu vực. Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và công nghệ viễn thám nói riêng đã và đang được ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu khí tượng thủy văn trên thế giới. Một trong những ứng dụng tiêu biểu và phổ biến của viễn thám trong nghiên cứu khí tượng thủy văn là việc xác định các thông số khí tượng phân bố theo không gian được yêu cầu cho
2 các mô hình, ví dụ như: lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, đặc điểm bề mặt, sử dụng đất, lớp che phủ đất. Thông thường việc quan trắc bằng các phương pháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt ở những nước đang phát triển với những hạn chế đáng kể trong việc đầu tư cho hệ thống quan trắc, thu thập các tham số môi trường, nên khả năng dự báo với độ chính xác chưa cao, gây nhiều rủi ro trong sản xuất nông nghiệp như sự xâm nhập mặn, thiếu nước tưới và làm tăng đáng kể khả năng cháy rừng. Việc sử dụng các số liệu từ vệ tinh quan trắc trái đất rất có ích và đáng được quan tâm, có thể cung cấp thông tin về bề mặt trái đất, có chu kỳ thời gian ngắn hơn và phần phủ mặt đất lớn hơn. Ảnh vệ tinh đa phổ, đa độ phân giải, có độ phủ trùm lớn, có chu kỳ lặp lại theo thời gian giúp thu thập thông tin nhanh chóng, đồng bộ, khách quan. Ngoài ra, với tính ưu việt là ước tính được nhiệt độ bề mặt và độ ẩm không khí, lượng mưa hàng ngày khá chính xác, đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, hiệu quả hơn so với chỉ số đo tại điểm quan trắc, viễn thám có thể được xem là phương pháp thay thế ưu việt cho phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng hiện nay. Xuất phát từ thực tế trên, việc “Nghiên cứu xác định một số chỉ tiêu khí tượng bằng ảnh vệ tinh ở tỉnh Thanh Hóa” là một nhu cầu cần thiết, nhằm tạo cơ sở khoa học cho việc đánh giá mức độ biến đổi khí hậu dựa trên các yếu tố khí tượng, giúp định hướng, hỗ trợ thực hiện các kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, khai thác bền vững tài nguyên đất, nước và bảo vệ môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu của tỉnh Thanh Hoá.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung Môi trường khí quyển bao bọc xung quanh trái đất thực chất được cấu thành bởi các lớp chất khí và được giữ bởi hấp lực của trái đất. Nó được phân chia thành một số tầng khí quyển bao gồm: tầng đối lưu (troposphere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng giữa khí quyển (mesosphere), tầng điện ly (ionosphere) và tầng ngoài khí quyển (exosphere). Trong đó, tầng thấp nhất gần với bề mặt trái đất là tầng đối lưu với độ cao tới 12,5 km có chứa phần lớn lượng mây được nhìn thấy trên bầu trời. Do đó, tầng khí quyển này gắn liền với các hiện tượng thời tiết. Nó có chứa nhiều loại khí như: hơi nước, khí N2, khí O2, khí CO2 và một số loại khí khác. Các loại khí này giúp giữ nhiệt lượng mà một phần lại được bức xạ trở lại để làm ấm bề mặt trái đất. Phía trên của tầng đối lưu là tầng bình lưu với độ cao từ 12,5 đến 50 km. Tầng bình lưu bao gồm tầng Ozone (O3) với sự tập trung của các phân tử O3 có khả năng hấp thụ bức xạ cực tím từ mặt trời và tránh những ảnh hưởng có hại tới sức khỏe con người. Trong khi đó, tầng giữa khí quyển với độ cao từ 50 đến 80 km là tầng có nhiệt độ lạnh nhất và tại tầng điện ly ở độ cao từ 80 đến 290 km, nhiệt độ tăng lên và có thể đạt đến vài ngàn 0F. Cuối cùng, với độ cao từ 290 đến 800 km, tầng ngoài khí quyển là vùng chuyển tiếp tới khoảng không vũ trụ. Việc thu thập số liệu khí tượng theo phương pháp truyền thống được thực hiện ở trên mặt đất bằng các thiết bị đo đạc như: áp kế, nhiệt kế, thiết bị đo gió, các máy ghi đo mực nước mưa và thời gian nắng được phân bố thành một mạng lưới trên khắp khu vực lãnh thổ. Đồng thời, để thu nhận dữ liệu về áp suất, nhiệt độ và độ ẩm ở tầng khí quyển cao hơn, người ta sử dụng một bóng thám không được thả lên đến độ cao 36 km, mang theo các dụng cụ
4 được lắp đặt trong khung như: áp kế, nhiệt kế, ẩm kế và một máy radio để truyền tin về mặt đất. 1.2. Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định một số tham số khí quyển 1.2.1. Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất. Nhiệt độ không khí mô tả trạng thái mức độ nóng lạnh của không khí. Cụ thể hơn, nó mô tả động năng, năng lượng chuyển động của các chất khí tạo nên không khí trong bầu khí quyển. Khi các phân tử chuyển động nhanh hơn, nó làm tăng nhiệt độ không khí. Nhiệt độ không khí ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và sinh sản của thực vật và động vật, với nhiệt độ ấm hơn thì quá trình tăng trưởng sinh học sẽ được thúc đẩy nhanh hơn. Do đó, nhiệt độ không khí tác động rất mạnh đến sinh vật và hệ sinh thái môi trường. Nhiệt độ không khí là một trong những thành phần quan trọng của trạng thái không khí cùng với áp suất không khí, độ ẩm không khí, mật độ không khí… Nó ảnh hưởng đến gần như tất cả các thông số thời tiết như tỉ lệ bốc hơi ( ảnh hưởng đến độ ẩm không khí), tốc độ gió và hướng gió, các mô hình mưa và kiểu mưa như mưa, mưa tuyết, mưa đá …. Để xác định nhiệt độ, người ta thường biểu diễn nhiệt độ dưới thang độ F hoặc độ C (0 độ C = 32 độ F). Tuy nhiên, trong nghiên cứu khoa học nói chung, người ta thường dùng độ Kelvin- độ K để biểu diễn nhiệt độ. Đó là nhiệt độ thấp nhất có thể mà ở đó các phân tử ngừng chuyển động, nó xấp xỉ bằng -273 độ C và -460 độ F. Nhiệt độ không khí gần mặt đất được xác định là khoảng không khí có độ cao nhỏ từ 1.5 đến 2 m so với bề mặt đất. Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất và mối quan hệ của nó với các hiện tượng khác diễn ra trên bề mặt khí quyển. Trong viễn thám, bức xạ đo được từ các thiết bị vệ tinh là một hàm tích phân của các tham số như: độ cao, áp suất bề mặt và các mặt cắt thẳng đứng
5 (vertical profile) của nhiệt độ và hơi nước. Do đó, cấu trúc nhiệt độ của khí quyển có thể được xác định bằng cách quan trắc bức xạ điện từ rời khỏi môi trường khí quyển ở một số khoảng phổ (spectral intervals) trong vùng hồng ngoại nhiệt và vùng sóng siêu cao tần. Bức xạ này từ trái đất rời khỏi khí quyển vào khoảng không vũ trụ thay đổi theo chiều dài bước sóng do: (1) sự phụ thuộc của hàm Planck vào chiều dài bước sóng và (2) sự hấp thụ của các loại khí trong môi trường khí quyển có cấu trúc phân tử khác nhau như CO2, H2O, O3 và các loại khí khác. Xung quanh các dải phổ hấp thụ của các loại khí cấu tạo khí quyển, mặt cắt đứng của các tham số khí quyển như nhiệt độ, độ ẩm có thể tính toán được. Lấy mẫu ở vùng phổ tại trung tâm của dải hấp thụ sẽ cho bức xạ của tầng khí quyển trên (do các loại khí cấu tạo của khí quyển đã hấp thụ các bức xạ từ tầng khí quyển dưới); lấy mẫu ở các vùng phổ xa khỏi trung tâm của dải hấp thụ sẽ cho bức xạ từ tầng khí quyển dưới kế tiếp. Xa khỏi các dải hấp thụ sẽ là các cửa sổ cho vùng đáy của tầng khí quyển. 1.2.1.1. Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất trên thế giới. Nhiệt độ không khí ước tính từ nhiệt độ bề mặt. Chen (1983) đã khám phá ra rằng từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt từ vệ tinh GOES có thể xác định nhiệt độ bề mặt. Sau đó, Chen tiếp tục xét mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ không khí và phát hiện ra tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa chúng và có hệ số tương quan rất cao giữa chúng. Các kết quả tính toán cho thấy hệ số tương quang cỡ 0.76 ở độ cao 1.5 mét và độ lệch chuẩn chỉ là 1.3-2.0 độ C. Davis (1983) khi sử dụng dữ liệu nhiệt độ NOAA cũng cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt đất trên vùng Bắc Mỹ và độ lệch chuẩn là 1.6 -2.6 độ K. Horiguchi (1992) cũng thực hiện phân tích hồi quy giữa nhiệt độ không khí ở độ cao 1.5 mét từ hệ thống quan trắc dữ liệu với nhiệt độ bề mặt từ dữ
6 liêu hồng ngoại nhiệt của vệ tinh địa tĩnh. Kết quả cũng cho thấy mức độ sai số 1-1.7 độ K. Ottle (1989) chỉ ra rằng nhiệt độ không khí biến đổi vì thực vật và đó cơ sở cho mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ không khí và nhiệt bề mặt. Green năm 2002 cũng phát hiện ra mối tượng quan rất lớn giữa dữ liệu nhiệt độ không khí ước tính từ đầu thu AVHRR với nhiệt độ không khí thu thập tại các trạm quan trắc. Quá trình thống kê ước tính với gian đoạn 1 tháng cho cả châu Âu và châu Phi. Mối quan hệ tuyến tính thể hiện trong suốt cả tháng với dữ liệu ít nhất từ 105 đến 164 trạm quan trắc và sai số trung phương nằm trong khoảng 2.8 tới 7.5 độ K với sai số trung bình là 4.8 độ K ở châu Âu và tương ứng với châu Phi là 3.2 -4.7 độ K và 3.9 độ K. Nhiệt độ không khí ước tính dựa trên chỉ số khác biệt thực vật(NDVI). Phân tích khai thác chỉ số khác biệt thực vật (NDVI) dự trên việc ước tính và thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đều được thực hiện bởi Goward năm 1988,1994, Nemani năm 1989, Prince năm 1995, Goetz năm 1997 và Sarvanapavan năm 1995. Nguyên lý phương pháp này là sử dụng mối quan hệ giữa lớp phủ thực vật thể hiện thông qua chỉ số khác biệt thực vật và nhiệt độ bề mặt ( Nemani, 1989) vì phần lớn mặt đất được bao phủ bởi thực vật với xu hướng đồng nhất, do đó việc quan trắc nhiệt độ không khí có thể được thực hiện theo phương pháp này. Saravanapavan (1995) đề cập tới việc nhiêt độ bề mặt giảm khi giá trị NDVI tăng lên. Nhiệt độ không khí được ước tính bằng phép ngoại suy NDVI thông qua giá trị NDVI ở vùng phủ kín thực vật với nhiệt độ không khí khác biệt cỡ 1-2 độ C. Nhiệt độ không khí có thể ngoại suy từ đường hợp lý nhất thông qua giá trị NDVI ở vùng phủ kín thực vật ( thường là 0.7) và nhiệt độ bề mặt. Phương pháp này có thấy mối tương quan là 0.04-0.81 và sai số trung phương cỡ khoảng 1.6 -2.2 ở 5 vùng của Thái Lan.
7 Nhiệt độ không khí ước tính thông qua việc tính nhiệt độ bề mặt sử dụng mô hình góc thiên đỉnh của bức xạ mặt trời. Cresswell năm 1997 đã đề cập tới việc ước tính nhiệt độ dựa trên năng lượng bức xạ sóng dài từ bề mặt trái đất và nó không thực sự biểu thị nhiệt độ không khí. Vệ tinh khí tượng Meteosat dựa trên việc ước tính tính hiệu hòa trộn, nó chứa năng lượng có nguồn gốc bức xạ mặt trời phản xạ lại từ trái đất, năng lượng bức xạ bản thân của khí quyển và năng lượng gần mặt đất. Ta biết răng không dễ dàng phân tách từng thành phần riêng biệt của năng lượng thu được nhưng phương pháp ước tính này cho phép ước tính dựa trên tổng từng phần của năng lượng thu được. Chúng ta biết rằng, Meteosat cho phép thu ảnh cả ngày và đêm, những tín hiệu hồng ngoại yếu sẽ bị biến dạng và chịu ảnh hưởng của hiện tán xạ Rayleigh. Bằng cách sử dụng mô hình mà nó có mối quan hệ chặt chẽ tới dải hồng ngoại trên ảnh Meteosat và giá trị nhiệt độ thực tế lấy từ các trạm quan trắc. Phương pháp này có 70% giá trị sai cỡ 3 độ C và 10-13 % sai số cỡ 5 độ C và lớn hơn. Nhiệt độ không khí ước tính từ mối quan hệ giữa biến thể của khối nhiệt và nhiệt độ không khí. Ferreira năm 2001 tại Bồ Đào Nha đã phát triển mối quan hệ giữa sự khác biệt biến thể của khối nhiệt độ và nhiệt độ không khí Tc - Ta và sự suy giảm do bão hòa để ước tính chỉ số áp lực nước thực vật cùng với một công cụ quản lý thủy lợi và phát hiện ra mối quan hệ tuyến tính với hệ số tương quan là 0.52 -0.73. Nhiệt độ không khí ước tính bằng phương pháp nội suy không gian. Anderson năm 2002 nghiên cứu 3 phương pháp nội suy không gian để ước tính nhiệt độ không khí. Giả định dữ liệu thuộc tính là liên tục theo không gian và thuộc tính là độc lập, kỹ thuật nội suy dùng phương pháp: SPLINE, trọng số nghịch đảo khoảng cách và Kriging. Kết quả cho thấy phương pháp Kriging cho độ chính xác tốt hơn cả với sai số 1.62 độ C.
8 Nhiệt độ không khí ước tính theo phương pháp EARS. EARS năm 2003 đã phát triển một nguyên lý ước tính nhiệt độ không khí dựa trên việc biểu đồ nhiệt vào buổi trưa của hành tinh T’0n và nhiệt độ vào nửa đêm T’0m cho thấy mối quan hệ tuyến tính. Mối quan hệ này được hồi quy trung bình theo công thức: T’0n = a. T’0m + b theo dòng nhiệt trao đổi với không khí. Trong phương pháp này, sự trao đổi nhiệt tuyệt đối là khi không có sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt đất và khí quyển khí đó : T’0n = T’0m = Ta . Tổng hợp hai mối quan hệ trên cho thấy nhiệt độ không khí có mối quan hệ tuyến tính với các hằng số Ta=b/(1-a). Nhiệt độ không khí này mô tả nhiệt độ ở đỉnh của tầng khí quyển. Rosema 2004 sử dụng nguyên lý EARS cho dự án Hệ thống giám sát cân bằng năng lượng và nước của Trung Quốc. Sử dụng dữ liệu những ngày không mây trong suốt một mùa với 20 ngày, kết quả cho thấy nhiệt độ không khí ở 1.5 mét là tương đối tốt. Sai số ở miền Bắc Trung Quốc là tốt hơn miền Nam vì ít mây hơn, mùa xuân và mùa thu tốt hơn mùa hè và mùa đông. Mối tương quan là 0.71 ở miền bắc và 0.8 ở miền Nam. 1.2.1.2. Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất tại Việt Nam. Nghiên cứu nhiệt độ không khí bằng công nghệ viễn thám ở Việt Nam còn rất hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu là do địa hình nước ta rất phức tạp, cơ cấu nhiệt và phân bố nhiệt lại không đồng nhất, có tính chất cục bộ cao. Do vậy các đề tài, công trinh nghiên cứu xác định nhiệt độ chủ yếu là nhiệt độ bề mặt đất bằng ảnh vệ tinh. Hoàng Việt Anh, Meredith Williams, David Manning (2007) đã “ Ứng dụng chỉ số nhiệt thực vật cho việc đánh giá sa mạc hóa vùng bờ biển ở Việt Nam”. Sử dụng ảnh MODIS, nhóm tác giả đã dùng ảnh MODIS để xác định nhiệt độ bề mặt đất. Từ đó, nhóm tác giả đã phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ mặt đất và lớp phủ thực vật và phát hiện ra mối quan hệ tuyến tính có hệ số tương quan lên tới 0.7.
9 Dương Văn Khảm và cộng sự (2009) đã “Ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS trong tính toán nhiệt độ lớp phủ bề mặt”. Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng to lớn của ảnh vệ tinh để xác định nhiệt độ bề mặt khả năng ứng dụng trong các mô hình giám sát và phòng chống thiên tai như hạn hán, cháy rừng…. Trần Thị Vân và công sự (2009) đã nghiên cứu “Phương pháp viễm thám nhiệt trong nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị “. Sử dụng ảnh LANDSAT EMT+ và ASTER, tác giả và nhóm nghiên cứu thấy nhiệt là 1 độ C. Phạm Thế Hùng, Nguyễn Thành Được (2010) “Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt tỉnh Đồng Tháp từ dữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT 7 ETM+”. Dựa trên kênh 61 và 62, nhóm tác giả đã tính nhiệt độ bề mặt từ bức xạ nhiệt từ mặt đất. Nguyễn Xuân Lâm và nhóm nghiên cứu (2014) đã tính toán nhiệt độ không khí gần mặt đất từ dữ liệu MODIS trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát và cảnh báo những tác động của biến đổi khí hậu nhằm chủ động phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do tai biến thiên nhiên”. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tính toán nhiệt độ không khí bằng phương pháp Mendez (2004). Dữ liệu tính toán nhiệt độ khí quyển từ dữ liệu MODIS-7 tính nhiệt độ không khí gần mặt đất Ta thông qua việc nội suy từ mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ ở 1000 Mmb và nhiệt độ không khí sát mặt đất. Các dữ liệu trạm khí tượng dùng để hiệu chỉnh. Như vậy, việc xác định nhiệt độ không khí từ ảnh vệ tinh đã bước đầu được ứng dụng tại Việt Nam nhưng còn rất hạn chế. Người ta thường tính toán nhiệt độ bề mặt đất là chính. Vì thế công tác nghiên cứu xác định nhiệt độ không khí bằng dữ liệu vệ tinh là hết sức quan trọng. 1.2.2. Ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng hơi nước và độ ẩm không khí
10 1.2.2.1. Tổng quan ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng hơi nước và độ ẩm không khí trên thế giới. Trên thế giới, việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào tính các thông số khí tượng từ lâu được đã được áp dụng. Các vệ tinh khí tượng đã được phát triển và đang hỗ trợ vô cùng đắc lực cho công tác quan trắc dự báo. Dữ liệu viễn thám từ đầu thu AVHRR đặt trên vệ tinh PEOS cho phép xác định hàm lượng hơi nước trong tầng khí quyển thấp (Schluessel, 1989). Trên đầu thu AVHRR, ta có 2 kênh hồng ngoại nhiệt là 11 μm và 12 μm được thiết kế để hiệu chỉnh ảnh hưởng của hơi nước khi nghiên cứu nhiệt độ bề mặt biển (McMillan vàCrosby 1984; Dalu, 1986; Jedlovec, 1990; Kleespies and McMillin, 1990; Goward et al., 1994; Prince and Goward, 1995; Andersen, 1996; Roger and Vermote, 1998). Nhiều nghiên cứu đã khai thác kênh hồng ngoại nhiệt này để ước tính tổng cột hơi nước từ dữ liệu của đầu thu AVHRR với độ phân giải xấp xỉ 1.1 km gần nadir với công nghệ split-window (Dalu 1986, Kleespies and McMillin 1990, Rogers and Vermote 1998). Dalu (1986) đã sử dụng một mô hình chuyển đổi bức xạ với dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm chuẩn cho trên toàn bộ mặt biển. Trong đó, lượng hơi nước tính toán thông qua kênh 4 và 5 của đầu thu AVHRR và góc mặt trời. Roger và Vermote (1998) so sánh sóng siêu cao tần SSM/I với ước tính tổng cột hơi nước bằng phương pháp Dalu. Họ đã phát triển tiếp mối quan hệ của Dalu với công thức MODTRAN. Bên cạnh đó, các nghiên cứu của H.S. Andersen (1996) ước tính hơi nước từ dữ liệu NOAA-AVHRR. Một số phương pháp như: phương pháp tỉ số kênh được ứng dụng với các nghiên cứu của Jedlovec, 1990; hồi quy độ nghiêng của Goward (1994); phương pháp ma trận phương sai và hiệp phương sai (Harris và Mason, 1992); khai thác dữ liệu bảng tra cứu (Czajkowsk,2002). Những tác động của góc nhìn của vệ tinh đối với ước tinh tổng cột hơi nước đã được nghiên cứu bởi Dalu [1986], Sobrino [1994], Choudhury [1995], Ottle´ [1997], Prince et al. [1998] và Motell et al. [2002].