SỬ DỤNG SỐ LIỆU ẢNH VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỰ BÁO MÔ HÌNH SỐ TRỊ

Đại học Quốc gia Hà nội
Trờng đại học khoa học tự nhiên

Sử Dụng số liệu ảnh vệ tinh
nâng cao chất lợng dự báo
mô hình số trị


i. Đặt vấn đề:
-Độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất nhiều
vào điều kiện ban đầu đa vào. Một nhiễu nhỏ
trong mô hình cũng làm ảnh hởng mạnh tới chất l
ợng dự báo.Trong khi, số liệu đầu vào mô hình khu
vực cập nhật chủ yếu từ số liệu mô hình Toàn
cầu trên lới thô và đợc nội suy về lới mô hình khu
vực. Công việc này gặp nhiều sai số.
-Thông tin từ ảnh vệ tinh đo đợc bao phủ một khu
vực rất rộng lớn với độ chính xác cho phép.
Vì vậy, đa số liệu về tinh làm đầu vào cho
mô hình số trị là một trong những phơng thức
làm tăng độ chính xác của mô hình số trị


ii. Giới thiệu mô hình số trị khu vực
Mô hình số trị dự báo chi tiết đợc dùng để tạo ra các
dự báo chi tiết hơn so với mô hình toàn cầu. Chi tiết
thêm vào đợc tuyển chọn trên lới tinh:
+ Chi tiết về địa hình
+ Các quá trình vi vật lý phức tạp
+ Các chi tiết cho trờng ban đầu
+ Các mô hình khu vực sử dụng số liệu toàn cầu để

làm điều kiện biên.
Thời gian của mô hình khu vực bị giới hạn bởi tốc độ
xử lý của máy tính
Khu vực mô hình bao phủ có phần diện tích đất liền
lớn hơn khu vực trên biển


ii. Giới thiệu mô hình số trị khu vực (tiếp theo...)
Các quá trình vật lý yêu cầu các quan trắc chi
tiết về: độ ẩm, nhiệt độ, gió không những về độ
lớn mà cả hớng ở lớp khí quyển và lớp sát đất.
Đối với thay đổi lớp biên ban đầu bao gåm: líp
bao phđ thùc vËt, ®é Èm ®Êt, bao phđ của tuyết và
băng, Anbedo của mặt đệm.
Đối với các quá trình đoạn nhiệt ban đầu: khu
vực mây và giáng thuỷ, th«ng tin vỊ thủ khÝ


Thiếu các đo đạc thông tin về các
tham số sau:
ã
ã
ã
ã
ã
ã
ã

Pha mây: nớc lỏng, băng và pha hỗn hợp
ớc lợng trờng gió 3-D

Nớc lỏng và lợng nớc trong mây
Nhiệt độ 3-D
Sai số trong khôi phục lại trờng áp suất
Giáng thuỷ và các sản phẩm vi vật lý
Các điều kiện ban đầu của mặt đệm: lớp phủ
thực vật, anbedo


iii. Giới thiệu sản phẩm của vệ tinh
Quan trắc trờng ban đầu ở lớp không
khí bên trên
-Trườngưgióư3D:
-Trườngưẩmư3D: Theo thống kê, các vệ tinh cực và vệ
tinh địa tĩnh cung cấp khoảng 10 đến 20% số
liệu ẩm ở một số lớp theo phơng thẳng đứng và
nằm ngang.
-Trườngư nhiệtư độư 3D: Các vƯ tinh cùc cung cÊp sè
liƯu nhiƯt ®é víi ®é chính xác chấp nhận đợc
-Mâyưvàưgiángưthủy: cho phép chi tiết lợng mây bao
phủ, loại, quá trình lớn lên, sự vận chuyển của
chúng, độ cao đỉnh mây, nhiệt độ đỉnh mây.
Cập nhật số liệu hàng giờ. Lợng nớc lỏng trong mây,
giáng thủy có thể quan trắc đợc từ tần số micro của
các vÖ tinh cùc


iii. Giíi thiƯu s¶n phÈm cđa vƯ tinh (tiÕp theo...)
Quan trắc lớp bề mặt
-áp suất bề mặt.
-Nhiệt độ.

-Độ ẩm
-Giáng thủy.
-Tất cả các thông tin cần thiết yêu cầu cho mô
hình quy m« võa
VƯ tinh cùc cung cÊp sè liƯu vỊ gió ở mặt biển có
lợi cho mô hình toàn cầu nhng không có lợi cho mô
hình khu vực.
Nhiệt độ của lớp mặt biển có thể xác định từ số
liệu vệ tinh với độ phân giải rất tốt.


iii. Giíi thiƯu s¶n phÈm cđa vƯ tinh (tiÕp theo...)
Sè liệu giáng thuỷ ớc lợng trên khu vực đất liền là
không tôt, tuy nhiên nó là nguồn số liệu giáng thuỷ
duy nhất trên biển
Vệ tinh có thể xác định đợc thông lợng bức xạ, loại
đất, độ ẩm đất, lớp phủ thùc vËt, anbedo, cã hay
kh«ng cã tut bao phđ. VƯ tinh có thể xác định đợc
lợng mây bao phủ.
Số liệu vệ tinh cung cấp thông tin về sa mạc, đồng
cỏ, rừng, nông trại, vùng đông dân c dựa trên xác

Anbedo
của thực
đất vật.
rất nhỏ, chúng chỉ thực sự lớn ở
định
lớp phủ
vùng mặt đệm bị bao phủ bởi nớc và tuyết. Dựa trên
ảnh thị phổ có thể phân chia ranh giới của các khu

vực này, trên cơ sở đó xác định anbedo cho mặt
đệm.


iii. Giíi thiƯu s¶n phÈm cđa vƯ tinh (tiÕp theo...)

Cloud and Water Vapour Winds (GMS)
Đỏ tơi =
Gió ở lớp
trên cao
Đỏ/Lục
lam=Gió
ở lớp giữa
Vàng da
cam =
Gió ở mực
thấp


Sè liƯu nhiƯt ®é ë líp
300HPA


Sơ đồ đa số liệu vệ tinh vào mô
hình dự báo số trị khu vực nhằm
nâng cao chất lợng DB
Số liệu vệ tinh

Input Mô hình
khu vực

Đồng hóa số liệu
các trờng

Dự báo
Chuẩn bị cho các
chơng trình dự báo

Mô hình
khu vục

Hiệu chỉnh và
đa ra KQDB


3.1. ớc lợng nhiệt độ đối tợng quan trắc
bằng ảnh vệ tinh hồng ngoại
3.1.1 Nguyên tắc: Một đối tợng bất kỳ phát bức
xạ điện từ tơng ứng với nhiệt độ, bớc sóng và khả
năng phát xạ của nó. Nhiệt độ nhận biết đợc
bằng cảm biến kế nhiệt đợc gọi là nhiệt độ chói.
Nhiệt độ chói khác với nhiệt độ thực do một số lý
do:
+ Khả năng phát xạ của đối tợng <1, vì nó
không phải là vật đen;
+ Quá trình phát và truyền xạ còn chịu ảnh hởng
của môi trờng truyền xạ, thờng là bức xạ bị suy
giảm qua môi trờng khí quyển;
+ Các tham số kiểm định của cảm biến kế mà
vệ tinh mang theo lên quỹ đạo cã sù thay ®ỉi

theo thêi gian.


3.1.2 Một số nguyên lý (NL) ớc lợng
nhiệt độ:
- NL1: Sử dụng nghịch đảo hàm Planck để
đợc nhiệt độ chói , và xem đấy đúng bằng
độ chói thực tế của bề mặt đối tợng quan
trắc, sau đó sẽ hiệu chỉnh sai số do 3
nguyên nhân nói trên ta sẽ có nhiệt độ thực
-tế NL2:
của đối
chotợng
rằng
quan
mộttrắc.
đối tợng phát xạ hồng
ngoại không phải chỉ ở một bớc sóng, mà cùng
một lúc nó có thể phát xạ ở nhiều bớc sóng
trong dải sóng. Vì vậy, sử dụng quan trắc ở
dải sóng từ 1 đến 2. Khi ấy năng lợng bức xạ
do một vật đen phát ra, ký hiệu N(,T), theo
định luật Planck sẽ lµ:


Nếu ta biết đợc khả năng phát xạ của đối t
ợng đo so với vật đen, biết đợc dải sóng mà
nó phát xạ thì hoàn toàn có thể tính đợc
nhiệt ®é chãi, råi tõ nhiƯt ®é chãi sÏ tÝnh ®
ỵc nhiệt độ thực bề mặt của đối tợng phát xạ

đó.
Vì vậy, cần số liệu tối thiểu ở 2 kênh hồng
3.1.3 Ví dụ:
ngoại ta mới ớc lợng đợc nhiệt độ đối tợng
ớc lquan
ợng nhiệt
trắc.độ từ số liệu ảnh hồng ngoại của vệ t
Sử dụng ảnh hồng ngoại vệ tinh địa tĩnh qua
số liệu định dạng GVAR (GOES VARiable format)
của vệ tinh GOES-8 và GOES-9 (độ phân giải số
liệu ảnh số 10 bits và số liệu thám sát thẳng
đứng 16 bits) của Hoa-kú (theo nhãm chuyªn
gia cđa NOAA).


Phơng pháp chuyển ảnh số hồng ngoại kênh 2-5
về nhiệt ®é thùc theo chÕ ®é nghiƯp vơ cđa
NOAA :
Bíc 1: ta chuyển đổi chúng về độ chói bức xạ
M là
tỷ xích phẳng
bằng phơng trình
sau:
R = (XG - B)/ M B là tỷ xích nghiêng
Phụ thuộc vào kênh, series
của VT
Là hằng sè theo thêi gian
Kªnh
M
B

2

257.3889

68.2167

3

38.8383

29.1287

4

5.2285

15.6854

5

5.0273

15.333


Bớc 2: Tính đợc nhiệt độ chói, hay còn gọi là
nhiệt độ hữu hiệu (nghịch đảo hàm Planck)
theo công thức sau

Teff

c2
=
3
c1
ln(1 +
)
R

Teff là nhiệt độ hữu hiệu tính bằng 0K,
C1 và C2 là các hằng số bức xạ,
C1 = 1,191066x10-5 mW/(m2-sr-cm-4)
 C2 = 1,438833 K/cm-1,
 ν lµ số sóng trung tâm kênh vệ tinh chỉ
biến động nhẹ trong bộ dò sóng, nó sẽ thay
đổi khi thiết bị thay ®ỉi


Bớc 3: Chuyển đổi từ nhiệt độ hữu hiệu về
nhiệt ®é thùc tÕ T(0K) cđa ®èi tỵng
T = α Teff +
và phụ thuộc vào kênh, bộ dò sóng và
thiết bị bức xạ kế
Các hằng số cho thiết bị ghi hình vệ tinh GOES-9
Kênh

Bộ dò sóng

(cm -1)

(K)

β

2

1

2555,18

-0,579908

1,000942

2

2

2555,18

-0,579908

1,000942

3

1

1481,82

-0,493016

1,001076

4

1

934,59

-0,384798

1,001293

4

2

934,28

-0,363703

1,001272

5

1

834,02

-0,302995

1,000941

5

2

834,09

-0,306838

1,000948


Nhiệt độ đợc tính toán từ số liệu GEOS-8, ngày
30/1/1997


ớc lợng nhiệt độ bề mặt biển từ số liệu AVHRR
Đặt vấn
đề:
Nhiệt độ bề mặt biển là yếu tố hết sức quan
trọng và cần thiết cho dự báo biển, nh dự báo s
ơng mù, front, dòng chảy biển
Các quan trắc trạm phao và tầu biển lại rất hạn
chế, nhiều vùng biển không có số liệu quan trắc
hoặc rất tha thớt
ớc lợng nhiệt độ bề mặt biển theo số liệu vệ
tinh đa kênh hay theo số liệu viễn thám thẳng

đứng đà đạt đợc độ chính xác khá cao và đợc sử
dụng rộng rÃi.
Khó khăn: phát xạ hồng ngoại của mây, làm cho
ta không phân biệt đợc bức xạ phát ra từ bề
mặt biển. Vì vậy, cần phải lọc bỏ mây.


Quan
g
phổ
bx
của
mặt
biển
Phổ bức
xạ phản
chiếu từ
bề mặt
biển đi
tới đợc
vệ tinh
Bức xạ quang phổ trên các kênh của cảm
biến kế AVHRR


Những dải tô màu xám là các bớc sóng 5 kênh
của cảm biến kế AVHRR,
Trong đó: kênh 1 và 2 đo bức xạ phản chiếu và cận
hồng ngoại,
các kênh 3, 4 và 5 chủ yếu đo bức xạ phát xạ

hồng ngoại từ bề mặt.
Kênh 3 có u điểm chủ yếu là kém nhạy cảm
đối với hơi nớc khí quyển, nhng lại nhận một lợng
đáng kể bức xạ mặt trời phản chiếu, vì thế nó đợc
sử dụng chủ yếu về ban đêm.
Kênh 4 và 5 bị ô nhiễm bởi hơi nớc nhiều hơn
nhng về căn bản lại không bị ô nhiễm bởi bức xạ
mặt trời phản chiếu.


Việc kết hợp thận trọng những đo đạc bức xạ
từ các kênh 3, 4 và 5 sẽ cho phép ta trích xuất đợc
nhiệt độ bề mặt biển.
Dựa trên nguyên lý cơ bản, sử dụng quan hệ
thống kê kinh nghiệm dới dạng phơng trình hồi quy
đa biến nh sau:
Trong đó T là nhiệt độ chói, chỉ số i và j chỉ
các kênh khác nhau, còn a0 , a1, a2 là các hệ số của
phơng trình
hồi=quy.
SST
a T + a (T T ) + a
0 i

1

i

j

2


Để phơng trình hồi quy ớc lợng tốt SST ta cần
chú ý chọn kênh i sao cho nhiệt độ chói ở kênh
này quan hệ tốt nhất với nhiệt độ mặt nớc
biển. Điều đó đợc phản ảnh bởi hệ số a0 xấp
xỉ bằng 1.
Thành phần thứ 2 của phơng trình phản ảnh
trị số hiệu chỉnh nhỏ ảnh hởng của hệ số
truyền xạ trong môi trờng khí quyển.
Hệ số a2 cho ta trị số hiệu chỉnh nhỏ nhân
tố liên quan với nhiệt độ chói khác nhau của
khí quyển ở những kênh kh¸c nhau.


Nhiệt độ bề mặt biển từ số liệu AVHRR


ớc lợng nhiệt độ mặt nớc biển từ số liệu VISSR
Dải hồng ngoại của GMS VISSR đợc chia ra 2
kênh IR1 và IR2, đợc gọi là các kênh cửa sổ
tách kênh.
SST đợc tính bằng phơng trình hồi quy
tuyến tính đa biÕn gåm nhiƯt ®é chãi cđa
IR1, hiƯu nhiƯt ®é chãi giữa 2 kênh IR1 và IR2
có tính đến góc thiên đỉnh.
Việc tính toán SST đợc thực hiện theo 3 quá
Lọctrình:
mây: (1) lọc mây, (2) tính SST và (3) kiểm

tra
chất llý:
ợngTrong
và vẽ miền
bản đồ.
Nguyên
điểm nút lới bị mây
ô nhiễm thì trị số SST tính đợc sẽ rất nhỏ
vì rằng tại đó bức xạ do đỉnh mây lạnh phát
ra là chủ yếu xây dựng các ngỡng cho IR1
và IR2(xác định điểm có mây và không
mây)