Luận văn thạc sĩ HUS mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của thành phố hà nội hậu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐƠ THỊ VÀ Q TRÌNH
ĐƠ THỊ HĨA, NHIỆT ĐỘ ĐƠ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT
CỦA TP. HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

HÀ NỘI – 2013

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐƠ THỊ VÀ Q TRÌNH
ĐƠ THỊ HĨA, NHIỆT ĐỘ ĐƠ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT
CỦA TP. HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Phạm Văn Cự

HÀ NỘI – 2013

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành nhất tới
PGS. TS Phạm Văn Cự, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều
kiện cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các cán bộ Khoa Sau đại học - Đại học
Quốc Gia Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu biến đổi khí hậu tồn cầu, các
bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tơi
trong q trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tuy đã cố gắng nhƣng do thời gian và điều kiện có hạn nên khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý của thầy cơ và các bạn.

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2013
Học viên

Nguyễn Thị Bích Ngọc

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 12
1.1. Nhiệt độ bề mặt ............................................................................................... 12

1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt ... 12
1.1.2. Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt ..................................................... 15
1.2. Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị........................................................ 19
1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 19
1.2.2. Các đặc trƣng vật lý của Mặt không thấm................................................ 20
1.3. Cơ sở lý thuyết liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị ............................................ 23
1.3.1. Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lƣợng bức xạTrái Đất ....................... 23
1.3.2 Đảo nhiệt đô thị [7] ................................................................................... 25
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 29
2.1.Khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 29
2.1.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên [10] .................................................... 29
2.1.2. Tình hình phát triển đô thị Hà Nội [10].................................................... 30
2.2. Cơ sở dữ liệu ................................................................................................... 35
2.2.1. Tiêu chí chọn dữ liệu viễn thám ............................................................... 35
2.2.2. Các dữ liệu khác ....................................................................................... 37
2.2.3. Phân tích và xử lý dữ liệu ......................................................................... 37
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 38
2.3.1. Tiền xử lý ảnh ........................................................................................... 38
2.3.2. Tính chỉ số thực vật NDVI ....................................................................... 39
2.3.3. Phƣơng pháp tính nhiệt độ bề mặt ............................................................ 40
2.3.4. Phân tích lớp phủ ...................................................................................... 41
2.3.5. So sánh kết quả với số liệu khí tƣợng ...................................................... 42
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 43
3.1. Biến đổi đô thị và mặt không thấm ................................................................. 43
3.2. Biến đổi chỉ số thức vật NDVI ....................................................................... 48
3.3. Biến đổi nhiệt độ đô thị giai đoạn 1993-2009................................................. 49
3.4. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại đất phủ khác nhau .................. 53
3.5. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số NDVI .................................................... 54
3.6. Biến đổi nhiệt độ khơng khí từ số đo trạm khí tƣợng mặt đất ........................ 55
3.6.1. Biến thiên nhiệt độ khơng khí trung bình năm ......................................... 56

3.6.2. Đảo nhiệt đơ thị trung bình năm ............................................................... 57
3.6.3. Đảo nhiệt đơ thị trung bình tháng ............................................................. 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 63
4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
IFOV

Trƣờng nhìn tức thời (Instantaneous Field of View)

IS

Biến số phần trăm diện tích mặt không thấm

GCPs

Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points)

LST

Nhiệt độ bề mặt lớp phủ (Land Surface Temperature)

LSE

Độ phát xạ bề mặt lớp phủ (Land Surface Emissivity)

MKT

Mặt không thấm

ND

Biến số phần trăm lớp phủ thực vật

NDVI

Chỉ số phân biệt thực vật chuẩn hóa, gọi tắt là chỉ số thực vật

Ts

Biến số nhiệt độ bề mặt

UHI

Đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island)

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+
.......................................................................................................................................14
Bảng 2. 1: Ảnh vệ tinh đƣợc sử dụng trong luận văn ...................................................45
Bảng 3. 1: Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận

4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009................................................................ 53
Bảng 3. 2 : Nhiệt độ trung bình hàng năm của các trạm quan trắc trong 30 năm .........56
Bảng 3. 3 : So sánh nhiệt độ khơng khí trung bình năm giữa trạm Láng và các trạm lân
cận ..................................................................................................................................58
Bảng 3. 4 : So sánh nhiệt độ khơng khí trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì ....60

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu ..........................................12
Hình 1. 2 : Đƣờng đi của năng lƣợng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh ............13
Hình 1. 3: Phân loại sóng điện từ ..................................................................................15
Hình 1. 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt ................................................16
Hình 1. 5: Quá trình đảo nhiệt đơ thị. ...........................................................................24
Hình 1. 6. Mặt cắt đứng của một UHI điển hình ........................................................... 25
Hình 1. 7 : Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong chu kỳ
ngày đêm........................................................................................................................ 27
Hình 2. 1: Vị trí khu vực nghiên cứu .............................................................................29
Hình 2. 2 Bản đồ Hồng Đức 1470 (do Biệt Lãm vẽ lại năm 1956) ............................ 31
Hình 2. 3: Bản đồ quy hoạch thành phố Hà Nội từ 1873-1943 .....................................32
Hình 2. 4: Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 – 1964 và 1978 – 1982 ........................... 33
Hình 2. 5: Bản đồ quy hoạch Hà Nội các năm 1992, 1996, 1998 .................................34
Hình 3. 1: Bản đồ phân bố không gian đô thị TP Hà Nội tại thời điểm chụp qua các
năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám ....................................................................45
Hình 3.2: Biểu đồ tăng trƣởng diện tích khơng gian đơ thị giai đoạn ........................... 45
Hình 3. 3: Bản đồ biến động khơng gian đơ thị ............................................................ 48
Hình 3. 4: Chỉ số thực vật các quận, huyện năm 1993, 2000, 2005, 2009 ....................49

Hình 3. 5: Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TP Hà Nội trên 4 năm ảnh vệ tinh tại
thời điểm chụp ...............................................................................................................51
Hình 3. 6: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình tồn TP Hà Nội theo 4 năm ảnh vệ
tinh 1993, 1999, 2005 và 2009 ...................................................................................... 52
Hình 3. 7: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực nội đơ theo ......................... 53
Hình 3. 8: Nhiệt độ bề mặt trung bình của các kiểu bề mặt đất trên 4 năm ..................54
Hình 3. 9: Chỉ số NDVI các quận huyện .......................................................................55
Hình 3. 10: Nhiệt độ bề mặt trung bình các quận huyện ...............................................55
Hình 3. 11: Vị trí các trạm khí tƣợng ............................................................................55
Hình 3. 12: Nhiệt độ khơng khí trung bình trạm Láng qua từng giai đoạn ..................56
Hình 3. 13: So sánh nhiệt độ trung bình trong 3 thời kì của 8 trạm ............................. 57
Hình 3.14: So sánh nhiệt độ trung bình năm giữa trạm Láng và Ba Vì ....................... 58
Hình 3.15: So sánh nhiệt độ trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì .....................59

7

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỞ ĐẦU
Sự phát triển các thành phố lớn gây ra thay đổi bề mặt phủ và các tác
động khác, bao gồm thay đổi thời tiết và khí hậu. Sự phát triển của các thành
phố theo sau q trình đơ thị hóa và cơng nghiệp hóa trong những thập kỉ gần
đây, là một trong những vấn đề quan trọng đƣợc thảo luận trong Uỷ ban liên
chính phủ về biến đổi khí hậu. Các tác động của con ngƣời đến thảm thực vật
có thể ảnh hƣởng đến khí hậu của địa phƣơng, khu vực và thậm chí tồn cầu,
do sự thay đổi của dòng nhiệt và sự phân phối năng lƣợng trong hệ thống
khí hậu [11].
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã nhận ra các hoạt động của
con ngƣời làm thay đổi bề mặt phủ, thay đổi sử dụng đất gây tác động lớn đối

với khí hậu khu vực [43].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đơ thị hóa (ĐTH) dẫn đến mở rộng không
gian đô thị theo nhu cầu phát triển về nhà ở cũng nhƣ các khu vực phục vụ cuộc
sống. Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không
thấm (MKT), đồng thời làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất, quỹ năng lƣợng
ở bề mặt Trái Đất, thay đổi các tính chất tuần hồn của khí quyển xung quanh,
tạo ra một lƣợng lớn nhiệt thải từ các hoạt động nhân sinh và dẫn đến một loạt
các thay đổi trong hệ thống môi trƣờng đô thị [27]. Các công trình xây dựng
hình thành do q trình đơ thị hố làm tăng độ gồ ghề, làm giảm tốc độ gió
lớp sát mặt, cản trở vận chuyển nhiệt ngang, gây hiệu ứng bẫy nhiệt giữa các
tƣờng nhà dẫn đến việc gia tăng nhiệt độ đơ thị. Có nhiều yếu tố đóng góp vào
việc hình thành đảo nhiệt đơ thị, nhƣng yếu tố đầu tiên là sự suy giảm lớp phủ
thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu khơng thấm khiến cho lƣợng
nƣớc đi vào khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên. Các MKT tập trung thu nhận
bức xạ Mặt Trời ở bề mặt và có thể cực tiểu hóa chuyển tải năng lƣợng đó đi
hƣớng lên (qua sự phản xạ và đối lƣu), đi xuống (qua sự truyền dẫn) hoặc đi
ngang (qua sự bình lƣu và truyền dẫn). Hiệu ứng này hầu hết bắt nguồn gần bề
mặt Trái Đất và sẽ lan truyền lên trên vào trong khí quyển.
Các tác động của ĐTH lên môi trƣờng nhiệt tạo ra hiệu ứng đảo nhiệt đô
thị (UHI). Hà Nội là một trong hai trung tâm đô thị có tỉ lệ đơ thị hóa lớn nhất
cả nƣớc [10] đồng nghĩa với việc tăng diện tích bề mặt không thấm và giảm
8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


diện tích cây xanh. Đây là nguyên nhân gây nên việc gia tăng hiện tƣợng đảo
nhiệt đô thị ở khu vực Hà Nội.
Nghiên cứu về nhiệt bề mặt và đảo nhiệt đơ thị ở VN hiện vẫn cịn hạn chế
và chỉ dựa vào dữ liệu ghi lại từ các trạm khí tƣợng trên mặt đất. Số liệu từ các

trạm khí tƣợng đƣợc đo hàng ngày và nhiều đợt, trong thời gian dài, nhƣng chỉ
phản ánh đƣợc nhiệt độ khu vực xung quanh các trạm đo, do đó khơng đảm bảo
chính xác cho tồn vùng.Trong khi đó, mặc dù độ phân giải thời gian thấp và ghi
chép lịch sử ngắn hơn, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp các phƣơng tiện
để thu đƣợc các quan sát đồng nhất và thƣờng xuyên về phản xạ và phát xạ của
bức xạ từ mặt đất ở tỷ lệ từ vĩ mô đến vi mô với độ phân giải không gian từ thấp
đến cao. Ngồi ra, viễn thám nhiệt có khả năng thực hiện phân tích chi tiết sự
thay đổi nhiệt độ bề mặt cho một vùng mà không bị hạn chế bởi số điểm đo nhƣ
trạm khí tƣợng. Có thể kết hợp phân tích nhiệt từ ảnh viễn thám và số liệu quan
trắc thời tiết tại các trạm khí tƣợng để thiết lập mối liên kết giữa nhiệt độ bề mặt
và sự thay đổi hiện trạng bề mặt đất. Bên cạnh đó sự hình thành đảo nhiệt trên
các bề mặt đơ thị (SUHI) cũng sẽ đƣợc phát hiện và có khả năng định lƣợng tốt
hơn [9].
Hiện nay, tƣ liệu viễn thám đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Tƣ liệu
viễn thám có ƣu điểm là giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý
trên diện rộng. Công nghệ viễn thám là phƣơng pháp tiếp cận hiệu quả trong
việc quan trắc mơi trƣờng, phân tích các mơ hình phát triển đơ thị và đánh giá
ảnh hƣởng của chúng đến khí hậu khu vực đô thị. Ứng dụng viễn thám hồng
ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ƣớc tính nhiệt bề mặt đơ thị có
tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả đƣợc thể hiện trên tồn vùng,
chứ khơng chỉ là số đo tại điểm quan trắc trong phƣơng pháp đo đạc truyền
thống.
Từ những hiểu biết về hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị và quá trình đơ thị hóa
ở thủ đơ Hà Nội, học viên đã đặt ra câu hỏi:
- Q trình đơ thị hóa diễn ra ở thủ đô Hà Nội ảnh hƣởng nhƣ thế nào
đến hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị
- Lớp phủ bề mặt đất tác động nhƣ thế nào đến hiện tƣợng UHI
Đề tài nghiên cứu “Mối quan hệ giữa nhiệt độ đơ thị và q trình đơ thị
hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của TP. Hà Nội” nhằm xác định mối
9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


quan hệ giữa lớp phủ thực vật và nhiệt độ, mối liên quan đến hiện tƣợng đảo
nhiệt đô thị trong điều kiện khí hậu biến đổi hiện nay .
Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc giảm nhẹ hiện tƣợng
đảo nhiệt đô thị bằng lớp phủ thực vật, góp phần vào các nỗ lực đƣợc thực
hiện để phát triển môi trƣờng sống đô thị và các thành phố thích ứng với biến
đổi khí hậu tồn cầu.
Trong nghiên cứu, học viên sử dụng bộ dữ liệu vệ tinh Landsat cùng
với các dữ liệu trạm thời tiết để hiểu đƣợc mối quan hệ giữa thảm thực vật,
nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ khơng khí.
1.

Mục tiêu của luận văn:

Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và q trình đơ thị hóa, nhiệt
độ đơ thị và lớp phủ thực vật của Hà Nội trong giai đoạn 1993- 2009 bằng công
nghệ viễn thám.
Để thực hiện mục tiêu trên, đề tài phải giải quyết những nhiệm vụ sau:
- Tổng quan về đơ thị và hình thái khơng gian đô thị và về phƣơng pháp
viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu đô thị
- Xử lý dữ liệu viễn thám
- Sử dụng phƣơng pháp phân tích khơng gian nghiên cứu hình thành phát
triển đơ thị Hà Nội
- Tính nhiệt độ bề mặt
- Tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và bề mặt phủ
2.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu: là nhiệt độ bề mặt đối tƣợng trích xuất từ ảnh vệ
tinh có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m đến 120m nhằm làm rõ
ảnh hƣởng của q trình đơ thị hóa đến biến đổi nhiệt độ thông qua đảo nhiệt đô
thị. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn:
Về không gian: Khu vực Hà Nội
Về thời gian: Giai đoạn 1993 đến 2009
3.

Phƣơng pháp nghiên cứu

- Phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám
10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


- Phƣơng pháp phân tích thống kê: Đƣợc sử dụng để phân tích, xử lý các
số liệu thu đƣợc
- Phƣơng cứu bản đồ: Tích hợp các bản đồ với nhau trên nền Arcgis thao
tác trên bản đồ để phân tích, đánh giá kết quả.
4.

Bố cục luận văn:

Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 3 chƣơng.
Nội dung chính gồm:
Các phần và chƣơng của luận văn đƣợc bố cục theo thứ tự nhƣ sau:
Mở đầu

Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận
Tài liệu tham khảo

11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nhiệt độ bề mặt
1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt
Nhiệt độ bề mặt đất( LST) đƣợc coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt
đất và khí quyển [40]. Phần lớn bức xạ mặt trời đều đƣợc hấp thụ bởi bề mặt đất.
Sau đó, bề mặt Trái Đất lại bức xạ vào khí quyển và khơng gian. Sự cân bằng
của lƣợng bức xạ mặt trời bị hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: khả năng truyền
dẫn của khơng khí và sự hấp thụ của vật liệu bề mặt.
Nhiệt độ bề mặt đất duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt Trời, bức xạ
sóng dài, thành phần thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lƣợng
nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lƣợng nhiệt đi vào mặt đất. Vì vậy, LST là yếu tố
chỉ thị tốt của cân bằng năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất.

(Kiehl và Trenberth, 1997)

Hình 1. 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu

Sự cân bằng bức xạ này phụ thuộc vào các đặc trƣng truyền dẫn trong dải
hồng ngoại của hơi nƣớc, mây, các phần tử khác, ví dụ các khí nhà kính nhƣ

CO2… Nồng độ của các khí này đang tăng lên góp phần vào việc thay đổi khí

12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


hậu. Vì vậy, nhu cầu đo lƣờng liên tục LST ở quy mơ tồn cầu và cấp vùng là
khơng thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi khí hậu.
Với những khu vực lớn và khu vực không thể đến đƣợc, việc đo lƣờng LST
chỉ có thể đƣợc trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp tồn cảnh bề
mặt Trái Đất. Viễn thám có thể đo lƣờng các đặc tính nhiệt của bề mặt lớp phủ
hoặc khí quyển nhƣ bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán xạ hay truyền dẫn. Các
thiết bị thụ động nhƣ bức xạ kế, cảm nhận phát xạ từ đối tƣợng và trong các dải
bƣớc sóng thích hợp, có thể đƣợc dùng để suy diễn nhiệt độ từ các bức xạ đo
đƣợc [3]
Viễn thám thụ động đo lƣờng bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng
pixel phụ thuộc vào trƣờng nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV- instantaneous
field of view) đặt trên vệ tinh.

(TNT, 1998)

Hình 1. 2 : Đƣờng đi của năng lƣợng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh

Vùng bƣớc sóng điện từ 3- 35μm thƣờng đƣợc gọi là vùng hồng ngoại
trong viễn thám mặt đất. Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ
và ƣớc tính nhiệt độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8- 14μm. Các
bộ cảm biến thu nhận ảnh có chứa kênh hồng ngoại nhiệt có thể kể đến nhƣ
AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT),
MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên.

13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Trong nghiên cứu đô thị thƣờng yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có
các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến nhƣ LANDSAT.
Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lƣợng kênh phổ và độ phân
giải khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-4
và -5 và ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-7 đƣợc sử dụng phổ
biến nhất.
Vệ tinh Landsat đƣợc thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km. Các giá trị
pixel đƣợc mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 0 ÷ 255. Vệ tinh Landsat đƣợc
trang bị bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+
(Enhanced Thematic Mapper Plus).
Bảng 1. 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải khơng gian của ảnh Landsat 7 ETM+
Kênh 1

0.45 ÷ 0.52

Xanh lơ

30m

Kênh 2

0.53 ÷ 0.61

Lục

30m

Kênh 3

0.63 ÷ 0.69

Đỏ

30m

Kênh 4

0.75 ÷ 0.90

Hồng ngoại gần

30m

Kênh 5

1.55 ÷1.75

Hồng ngoại TB

30m

Kênh 6

10.4 ÷12.5

Hồng ngoại nhiệt

60m

Kênh 7

2.09 ÷ 2.35

Hồng ngoại TB

30m

Kênh 8

0.52 ÷ 0.90

Lục đến hồng ngoại gần

15m
()

Ảnh vệ tinh Landsat đƣợc sử dụng khá hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác
nhau: thành lập bản đồ chuyên đề, phân tích biến động (hiện trạng sử dụng đất,
lớp phủ, biến động đƣờng bờ), phân biệt các loại khoáng vật, phân biệt hiện
trạng thực phủ và đặc biệt dữ liệu từ Band 6 (gồm có Band 61 và Band 62 đƣợc
ghi nhận ở hai mức low gain và high gain) là cơ sở quan trọng để thành lập bản
đồ nhiệt độ bề mặt đất, giúp cho việc giám sát hiệu quả hiệu ứng nhà kính, tác
động của q trình đơ thị hóa đến việc gia tăng nhiệt độ cũng nhƣ diễn biến
trạng thái nhiệt độ trong những khoảng thời gian khác nhau ở những khu vực

khác nhau.
Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat mặc dù có độ phân giải thấp hơn ảnh các
bộ cảm biến khác nhƣng lại có quỹ đạo bay chụp tồn cầu và tƣ liệu lƣu trữ lâu
dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng. Trong nghiên cứu ƣớc tính
nhiệt độ bề mặt đơ thị có tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả
14

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


đƣợc thể hiện trên tồn vùng, chứ khơng phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc nhƣ
trong phƣơng pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tƣợng.
1.1.2. Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt
Trong vùng hồng ngoại nhiệt, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so
với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này đƣợc dùng để khôi
phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất.
Kênh hồng ngoại nhiệt
đƣợc sử dụng để xác
định nhiệt bề mặt

Hình 1. 3: Phân loại sóng điện từ

Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các
vật liệu mặt đất. Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cƣờng độ bức xạ
phát ra và các cửa sổ khí quyển. Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm [4] do có
sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất [5].

15

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

( Phạm Văn Cự, 2006)

Hình 1. 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt

Phần lớn năng lƣợng bề mặt đất đƣợc các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong
dải bƣớc sóng 10.5-12.5 μm, và đƣợc dùng để ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đất và
các q trình nhiệt khác [5], [6],[7]. Các bộ cảm biến thu nhận dữ liệu viễn thám
hồng ngoại nhiệt trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm theo bức xạ phát ra một cách
tự nhiên.
Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm đƣợc phát ra từ bề mặt tƣơng
quan với nhiệt độ động năng và độ phát xạ bề mặt. Tuy nhiên, để đạt đƣợc nhiệt
độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt cần có 2 điều kiện. Thứ
nhất, bức xạ đo đƣợc ở bộ cảm biến bị ảnh hƣởng bởi khí quyển từ q trình hấp
thụ và phát xạ lại bởi các khí, chủ yếu là hơi nƣớc trong vùng hồng ngoại của
phổ điện từ. Vì vậy, để đạt đƣợc nhiệt độ bề mặt, cần phải hiệu chỉnh khí quyển
qua việc sử dụng mơ hình truyền bức xạ. Thứ hai, bản chất không xác định đƣợc
của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu bức xạ nhiệt đƣợc đo trong N kênh,
thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ (đối với N kênh) và 1
lớp nhiệt độ bề mặt.
Ƣớc tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần
các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định[8]. Các giả thiết thƣờng liên
quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phịng thí nghiệm hoặc trên thực tế.
16

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các

bộ cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt đƣợc truyền qua khí
quyển (τεBλ); (2) bức xạ hƣớng dƣới đƣợc phát ra bởi khí quyển đƣợc phản xạ
bởi bề mặt và truyền qua khí quyển đến bộ cảm (τ(1-ε)Lλ↓) và (3) phát xạ từ khí
quyển đƣợc truyền qua khí quyển ở trên điểm phát xạ (Lλ↑).
Minh họa điều này qua phƣơng trình truyền bức xạ nhƣ sau:
Lsensor, λ = τ [ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓] + Lλ↑(1)
Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ.
Thành phần (2) và (3) phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển. Các thơng số
này thƣờng đƣợc đo đạc đồng thời cùng lúc thu nhận ảnh từ vệ tinh, dùng để
hiệu chỉnh khí quyển cho các bài tốn liên quan bằng các mơ hình nhƣ
MODTRAN, ATCOR... Thực tế các số đo điều kiện khí quyển khơng sẵn có, do
đó việc hiệu chỉnh khí quyển cho việc khơi phục lại các số đo mặt đất là một
việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ vào một thời điểm bất kỳ và thƣờng bỏ
qua trong một số nghiên cứu ứng dụng.
Trong công thức (1), bức xạ bề mặt đất Rλ đƣợc đo trong kênh bƣớc sóng λ
gồm hai thành phần: Rλ = ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓(2)
Do nhiệt độ khí quyển thƣờng thấp hơn nhiệt độ mặt đất nên phần mặt đất
hấp thụ đƣợc bức xạ phát ra từ khí quyển ((1 - ε) Lλ↓) thƣờng rất nhỏ so với
phần phát xạ của mặt đất. Thực tế tính tốn, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ
bề mặt sẽ đƣợc biểu diễn gần đúng nhƣ sau:
[9]: Rλ = ε Bλ(3)
Nghiên cứu đầu tiên về đảo nhiệt đô thị đã đƣợc tiến hành vào những năm
1920 bởi nhà nghiên cứu tên Luke Howard quan sát thấy nhiệt độ ở London cao
hơn so với các khu vực xung quanh và bắt đầu tiến hành các nghiên cứu nhằm
tìm ra nguyên nhân cho vấn đề này. Từ đó đến nay, hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị
vẫn luôn là một đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà khí hậu học; nhiều
nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đãđƣợctiến hành tại các thành phố nhƣ
London, Vancouver, Tel Aviv, Singapore, Athens, Seoul và cả Melbourne.
Những nghiên cứu này, đã chỉ ra rằng hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị, đƣợc định
nghĩa nhƣ là sự chênh lệch giữa nhiệt độ của các vùng nông thông xung quanh

với thành phố, là do ảnh hƣởng bởi một loạt các yếu tố nhƣ: Trao đổi bức xạ
17

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


(bao gồm bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất), Hoạt đơng của gió, mật độ và loại
cây xanh, vật liệu (tính chất về nhiệt và khả năng hấp thụ nƣớc của vật liệu),
Những hoạt động phát thải nhiệt của con ngƣời.
Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ bề mặt đất (LST) đƣợc phát triển
từ những năm 1980. Trong những năm gần đây, cùng với việc nâng cấp độ phân
giải không gian và thời gian của các cảm biến cũng nhƣ sự cải tiến của những
cảm biến khí quyển, cơng nghệ để đo đạc LST cũng đƣợc cải tiến [39]. Trong
phạm vi nghiên cứu toàn cầu, ảnh MODIS đƣợc sử dụng để định lƣợng và giám
sát LST [40], đánh giá LST ở các thành phố lớn [39]. Những nghiên cứu này sử
dụng các ảnh có độ phân giải thời gian cao và độ che phủ rộng của cảm biến
MODIS để đánh giá nhiệt độ bề mặt đô thị của các thành phố lớn trên thế giới.
Trần Hùng và cộng sự năm 2005 đã nghiên cứu hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị
(UHI) ở 8 thành phố châu Á bao gồm: Tokyo, Bắc Kinh, Thƣợng Hải, Seoul,
Manila và Hồ Chí Minh. Sự biến đổi về khơng gian của UHI ở mỗi thành phố
phụ thuộc vào bề mặt che phủ của đô thị, đặc trƣng bởi cây xanh và mật độ xây
dựng.
Năm 2007, Jusuf và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của độ che
phủ đất đến UHI ở Singapor bằng cách sử dụng dữ liệu Landsat ETM+ và dữ
liệu điều tra lƣu động. Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hƣởng của từng loại đất đến
nhiệt độ đô thị cả ban ngày và ban đêm. Vào ban ngày, nhiệt độ khu vực công
nghiệp và trung tâm thƣơng mại đạt trung bình là 36,9oC và 38.3oC.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu ứng dụng
viễn thám hồng ngoại nhiệt trong việc ƣớc tính giá trị nhiệt độ cho khu vực đô
thị. Trần Thị Vân (2010) và Le Anh Quan (2012) đã sử dụng Landsat ETM+

nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dƣới tác động của sự thay đổi lớp
phủ đất tại thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các nghiên cứu chỉ ra mối tƣơng
quan giữa hiện tƣợng UHI với việc mở rộng các khu đô thị. Diện tích mặt khơng
thấm tăng làm nhiệt độ tăng đồng thời với việc giảm mặt nƣớc và lớp phủ thực
vật. Đây là bằng chứng rõ ràng của tác động đô thị hóa đến sự thay đổi khí hậu
đơ thị.

18

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.2. Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị
1.2.1. Định nghĩa
Tính khơng thấm nƣớc (Imperviousness) là đơn vị vật lý [9], đặc trƣng bởi
sự đóng kín bề mặt từ các vật liệu xây dựng và ngăn cản sự thấm thấu nƣớc vào
trong lòng đất. Các MKT là các mặt xây dựng nhân tạo nhƣ mái nhà, lối đi bộ,
đƣờng giao thông, bãi đỗ, kho chứa đƣợc phủ bởi các vật liệu không thấm nhƣ
nhựa đƣờng, bê tông, đá và các vật liệu xây dựng [10]. Đây là yếu tố chỉ thị rất
hữu ích dùng để tính tác động của phát triển đất đai lên cảnh quan.
MKT là các mặt nhân tạo, là một yếu tố chỉ thị đô thị và mơi trƣờng do có
liên quan đến việc xây dựng nên chúng. Các MKT này làm thay đổi tính chất khí
hậu đô thị và nguồn tài nguyên nƣớc. Nƣớc mƣa chảy tràn trên các MKT đơ thị,
thậm chí mƣa lớn có thể xảy ra lũ quét. Sự chảy tràn nhanh và khan hiếm thực
vật trên các bề mặt này cũng làm giảm lƣợng nƣớc bốc thoát hơi. Năng lƣợng
Mặt Trời đến bề mặt nhiều, thay vì có thể đƣợc dùng để bốc hơi nƣớc, lại đƣợc
chuyển đổi thành nhiệt hiện. Điều này làm tăng đáng kể nhiệt độ các bề mặt này
và của lớp khơng khí bên trên. Các MKT ở đơ thị có tính dẫn nhiệt và khả năng
lƣu giữ nhiệt cao so với các mặt thấm có lớp phủ thực vật. Sự khác biệt trong
các đặc tính nhiệt của các vật liệu bề mặt ở khu đô thị so với các khu vực thấm

nƣớc tự nhiên có ý nghĩa sâu sắc khơng chỉ đối với nền vi khí hậu mà cịn đối
với sức khỏe của sơng suối trong lƣu vực. Nhiều loại chất ô nhiễm, xuất phát từ
nhiều nguồn, tích lũy trên các MKT đơ thị. Sau đó chúng đƣợc cuốn trơi vào các
khối nƣớc, làm thối hóa chất lƣợng nƣớc nghiêm trọng và làm hại đến đời sống
thủy sinh. Hơn nữa, nhiệt độ dòng chảy tràn nƣớc mƣa vào mùa hè có thể tăng
lên đột ngột qua sự dẫn nhiệt từ các MKT. Các hình thức ơ nhiễm nƣớc này xảy
ra trên các khu đất rộng lớn hình thành nên vùng ơ nhiễm.
Các q trình đơ thị hóa ở các thành phố thƣờng liên quan đến các MKT,
bởi vì chúng liên quan đến q trình bê tơng hóa bề mặt. Xét về góc độ sử dụng
đất, chúng liên kết thích hợp với các kiểu thực phủ đơ thị và biến động thực phủ.
Trong việc ra quyết định sử dụng đất ở khu vực đơ thị hóa, cần phải xem xét các
MKT vì các ngun nhân sau:
- Đơ thị hóa làm thay đổi sâu sắc các chu kỳ thủy văn và chất lƣợng nƣớc
cục bộ của một lƣu vực.
19

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


- Các đặc tính nhiệt và phản xạ của các MKT đƣợc liên kết với hiệu ứng
đảo nhiệt đô thị (urban heat island), mà nó ảnh hƣởng đến sự tiện nghi và sức
khoẻ của con ngƣời do sự thay đổi các dịng thơng lƣợng nhiệt hiện và nồng độ
các chất ô nhiễm. Nhiệt độ nƣớc chảy tràn nóng ấm làm giảm lƣợng oxy hồ tan
trong nƣớc sơng, làm cho đời sống thủy sinh khó khăn hơn.
- Việc tăng tính khơng thấm tƣơng quan với sự thay đổi tính chất mỹ học
của cảnh quan một khu vực, chỉ thị một sự dịch chuyển từ cảnh quan rừng và
nông thôn sang môi trƣờng đô thị. Đây cũng là thƣớc đo của sự phát triển đô thị
trực tiếp và không trực tiếp (do bành trƣớng đô thị). Các thay đổi này ảnh hƣởng
đến chất lƣợng đời sống của các cƣ dân ở bên trong khu vực [10]
1.2.2. Các đặc trƣng vật lý của Mặt không thấm

Sự phát triển đô thị làm thay đổi đất từ rừng, cỏ và đất trồng trọt sang các
MKT, làm cho các cân bằng giữa năng lƣợng Mặt Trời đến và đi khỏi mặt đất
cũng thay đổi. Bức xạ Mặt Trời đạt đến bề mặt Trái Đất bị phản xạ, hấp thụ và
chuyển đổi sang nhiệt hiện hoặc đƣợc dùng trong bốc thốt hơi nƣớc. Trong đó,
một phần trăm rất nhỏ của bức xạ Mặt Trời đƣợc dùng trong quang hợp. Khí
quyển đƣợc đốt nóng chủ yếu bởi năng lƣợng bức xạ từ bề mặt Trái Đất chứ
không phải nhiệt trực tiếp từ Mặt Trời. Vì vậy, các vật liệu bề mặt sẽ tác động
đến lƣợng bức xạ Mặt Trời bị phản xạ hay hấp thụ, và cũng ảnh hƣởng đến dịng
nhiệt từ bề mặt đất vào khí quyển. Lần lƣợt, điều này ảnh hƣởng đến nhiệt độ và
độ ẩm của khơng khí lớp trên.
Sự chuyển đổi các mặt thấm sang MKT làm thay đổi cân bằng năng lƣợng
qua các thay đổi:
- Albedo của các bề mặt;
- Nhiệt dung riêng và tính dẫn nhiệt của các bề mặt;
- Tỷ số nhiệt hiện trên nhiệt ẩn truyền từ bề mặt vào khí quyển.
Albedo
Albedo là phần trăm bức xạ Mặt Trời đến bị phản xạ bởi bề mặt. Nó xác
định các tỷ lệ tƣơng đối của nhiệt và bay hơi bề mặt do năng lƣợng bức xạ phát
ra bởi các bề mặt trả vào không gian và không đƣợc chuyển đổi thành nhiệt hiện
hay nhiệt ẩn. Càng ít năng lƣợng đƣợc phản xạ bởi bề mặt nghĩa là càng nhiều
20

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


năng lƣợng đƣợc hấp thụ và chuyển đổi thành năng lƣợng nhiệt. Nhiều kiểu bề
mặt thƣờng đƣợc tìm thấy trong các lƣu vực đều có đặc tính phản xạ khác nhau
và tỷ lệ MKT cao làm thay đổi sâu sắc tỷ lệ năng lƣợng Mặt Trời đến bị phản xạ
hay hấp thụ. Do đơ thị hóa, albedo tổng cộng của các MKT đơ thị khoảng 10% ít
hơn của các bề mặt nông thôn [43], dẫn đến là phần trăm bức xạ hấp thụ cao

hơn.
Nhiệt dung riêng và tính dẫn nhiệt
Các vật liệu bề mặt khác nhau phân biệt bởi: Tổng năng lƣợng nhiệt chúng
có thể lƣu giữ; Khả năng dẫn nhiệt của chúng. Một vài vật chất, ví dụ nƣớc, có
thể hấp thụ và lƣu giữ đáng kể năng lƣợng trƣớc khi tăng nhệt độ; tƣơng tự các
vật chất này có thể mất nhiều năng lƣợng trƣớc khi giảm nhiệt độ. Ngƣợc lại,
một vài vật chất trải qua sự tăng hoặc giảm nhanh chóng nhiệt độ với việc thu
đƣợc hay mất đi một lƣợng năng lƣợng khá nhỏ. Mối quan hệ này giữa năng
lƣợng nhiệt và nhiệt độ có liên quan đến nhiệt dung riêng của vật chất1. Các vật
liệu xây dựng nhƣ gạch, bê tơng, đá, cát có nhiệt dung càng thấp thì chỉ cần một
lƣợng nhiệt nhỏ đốt nóng cũng có thể làm tăng cao nhiệt độ ngay tức khắc.
Sự dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt quan trọng ở bề mặt Trái Đất. Một
khi năng lƣợng bức xạ đƣợc hấp thụ và chuyển sang nhiệt hiện, nó đƣợc truyền
bằng sự dẫn nhiệt đến các khu vực nhiệt độ thấp hơn trong khơng khí và đất
xung quanh. Nhiệt bề mặt đƣợc dẫn vào trong đất là nơi sẽ lƣu giữ và phát ra lại.
Tính dẫn nhiệt nhanh có thể làm cho nhiệt thấm sâu hơn. Chất rắn thƣờng là vật
dẫn nhiệt tốt hơn chất lỏng và chất lỏng dẫn nhiệt tốt hơn khí. Các MKT đơ thị
dày đặc nhƣ bê tông, đá và nhựa đƣờng, dẫn nhiệt hiệu quả hơn và hấp thụ nhiệt
nhiều hơn các mặt thấm mà chúng đã thay thế [10]. Nƣớc chứa trong cỏ và đất
có nhiệt dung riêng cao so với nhựa đƣờng, vì vậy nhiệt độ của cỏ khơng tăng
nhanh nhƣ là của bãi đỗ. Nhiệt độ ngày của các MKT đô thị trong suốt mùa hè
có thể rất nóng. Tuy nhiên, khơng khí là vật dẫn nhiệt kém, nếu khơng thì nhiệt
độ khơng khí trên các bề mặt này sẽ khó chịu và nguy hiểm hơn cho sức khoẻ
con ngƣời.
Các tỷ số của nhiệt hiện / nhiệt ẩn
Năng lƣợng nhiệt ở mặt đất đi vào khí quyển ở dạng nhiệt hiện hoặc nhiệt
ẩn. Nhiệt hiện là năng lƣợng hồng ngoại có thể đƣợc cảm nhận và đo bằng nhiệt
kế. 1 là lƣợng năng lƣợng yêu cầu để làm tăng nhiệt độ của 1g vật chất lên 1oC
21

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


hoặc là tỷ số của phần năng lƣợng thu đƣợc hay mất đi trên số tăng hay giảm
nhiệt độ tƣơng ứng
Năng lƣợng này khơng đƣợc dùng để hóa hơi nƣớc mà đƣợc phát vào khí
quyển. Năng lƣợng vào khí quyển càng nhiều dƣới dạng nhiệt hiện, thì nhiệt độ
khơng khí tƣơng đối trên các bề mặt càng cao. Ẩn nhiệt là năng lƣợng đƣợc lƣu
giữ ở dạng hơi nƣớc và đƣợc dùng để bốc hơi nƣớc. Sự bốc hơi là quá trình làm
lạnh và làm giảm nhiệt độ bề mặt của đất. Ẩn nhiệt đi vào khí quyển khi nƣớc
đƣợc bốc hơi từ bề mặt. Chính sự ngƣng tụ làm phóng thích nhiệt ẩn vào khí
quyển dƣới dạng nhiệt hiện. Ẩn nhiệt không thể cảm nhận và đo bằng nhiệt kế.
Mối quan hệ giữa nhiệt hiện và nhiệt ẩn đƣợc mô tả bằng tỷ số Bowen và
chỉ số nhiệt hiện [11] và đƣợc biểu diễn theo lý thuyết nhƣ sau:
B = SH / LH
SHI = B / (B + 1) = SH / (SH + LH)
Trong đó, B - tỷ số Bowen, SHI – chỉ số nhiệt hiện, SH – nhiệt hiện, LH - nhiệt
ẩn.
Chỉ số nhiệt hiện thể hiện phần trăm của tổng năng lƣợng nhiệt (ở bề mặt) đƣợc
dùng để làm tăng nhiệt độ khơng khí (bên trên). Giá trị chỉ số càng cao, phần
trăm năng lƣợng sẵn có dùng cho nhiệt hiện càng lớn. Ngƣợc lại, giá trị chỉ số
càng thấp chỉ thị các dịng thơng lƣợng nhiệt ẩn vào khí quyển càng cao, nghĩa
là việc làm lạnh do bốc hơi ở bề mặt lớn hơn. Hơn nữa, các chỉ số nhiệt hiện của
các bề mặt sa mạc và đơ thị có giá trị gần nhau hơn so với của các bề mặt đô thị
và đồng cỏ hay rừng. Do đó, nhiệt độ ở các khu đơ thị hóa cao hơn là ở các khu
nơng thơn.
Nói chung, các MKT có albedo thấp hơn, nhiệt dung riêng thấp hơn và độ
dẫn nhiệt cao hơn so với các mặt tự nhiên, cùng với việc làm lạnh do bốc hơi
nƣớc bị giảm, làm tăng nhiệt độ ngày trên các khu đô thị, đặc biệt suốt mùa hè.
Các yếu tố này đóng góp vào hiện tƣợng gọi là “đảo nhiệt đơ thị”. Việc

chuyển đổi khơng kiểm sốt lớp phủ đất từ thấm thấu sang không thấm là một
mối đe dọa nghiêm trọng đến sự thống nhất của môi trƣờng tự nhiên và xây
dựng trong một lƣu vực và đe doạ đến chất lƣợng cuộc sống của cƣ dân trong
quá trình phát triển và đơ thị hóa.
22

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Phạm vi không gian và sự thay đổi các MKT ảnh hƣởng đến khí hậu đơ thị
do thay đổi các thơng lƣợng nhiệt hiện và nhiệt ẩn trong vịng bề mặt đơ thị và
các lớp biên khí quyển. Vì vậy, sử dụng MKT nhƣ là yếu tố chỉ thị để nhận dạng
quy mô không gian và cƣờng độ phát triển đơ thị trong q trình đơ thị hóa là
hồn tồn phù hợp [3].
1.3. Cơ sở lý thuyết liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị
1.3.1. Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lƣợng bức xạTrái Đất
Mặt trời là nguồn cung cấp nhiệt chủ yếu cho Trái Đất. Đến lƣợt mình, Trái
Đất lại bức xạ vào khí quyển và khơng gian. Các khí, hơi nƣớc và thành phần
của khí quyển có thể hấp thụ và phát xạ mạnh mẽ đối với bƣớc sóng trong phổ
bức xạ ở mặt đất. Bức xạ Mặt Trời đi qua khí quyển, truyền năng lƣợng vào
khơng khí và Trái Đất gây ảnh hƣởng lên các điều kiện khí tƣợng. Trái đất hấp
thụ hầu hết bức xạ Mặt Trời và cung cấp năng lƣợng cho quá trình quang hợp và
sự sống [3]
Định luật Plank cho rằng vật đen tuyệt đối (VĐTĐ) là một vật hấp phụ
hoàn tồn bức xạ tới và chuyển nó thành năng lƣợng bên trong, tạo ra sự tăng
nhiệt độ của vật thể. Vì lý do đó mà VĐTĐ khơng tham gia vào bất cứ quá trình
truyền dẫn hoặc phản xạ nào nhƣng nó lại phát xạ năng lƣợng mà nó hấp thụ
đƣợc với tỷ lệ tối đa tính trên đơn vị diện tích. Lƣợng năng lƣợng này sẽ giao
động tuỳ thuộc vào nhiệt độ của vật thể và bƣớc sóng mà nó phát xạ.

23

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 1. 5: Q trình đảo nhiệt đơ thị.

Định luật bức xạ Plank cho phép ta tính đƣợc nhiệt năng mà VĐTĐ phát ra.
Có nhiều cách biểu diễn cơng thức tính nhiệt năng theo định luật Plank tuỳ thuộc
vào các thông số và thứ nguyên mà ta sử dụng. Trong viễn thám ngƣời ta dùng
công thứ sau: P  =

c1 5
ec / T  1
2

với c1= 2πhc2 = 3.74183*10-16 Wm2,
c2= hc/k=1.4388*10-2 mK,
h= 6.63*10-34Ws2(hằng số Plank)
k = 1.28*10-23WsK-1(hằng số Boltzmann)
c = 2.99*108 ms-1(vận tốc ánh sáng)
e là gốc của log và
Pλ= Eλ= phát xạ phổ tính bằng Wm-2sr-1μm-1nghĩa là Watt trên một mét
vng diện tích, một micro mét độ dài bƣớc sóng đo trong góc khối một radian.
Định luật Stefan-Boltzman:

24

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Thân nhiệt độ đại diện cho một trạng thái nhiệt nhƣng có thể đƣợc biểu
diễn dƣới hai dạng: nhiệt độ bên trong (do chuyển động của các nguyên tử) đo
bằng nhiệt kế đƣa vào vật thể và nhiệt độ bên ngồi tính bằng nhiệt phát xạ.
Dịng bức xạ nhiệt Fb (đƣợc đo bằng Watt trên cm2) phát ra từ VĐTĐ liên quan
đến nhiệt độ nhiệt động (kinetic) Tk(tính bằng Kelvin) và đƣợc tính bằng hàm
Stefan-Boltzmann:
Fb=σTk4
Trong đó:
B : tổng năng lƣợng ở nhiệt độ T (Wm-2)
T : nhiệt độ tuyệt đối của vật thể phát xạ (K)
σ: hằng số Stefan-Boltzman (5,67x10-8Wm-2K-4)
1.3.2 Đảo nhiệt đơ thị [7]

(Lawrence Berkeley National Laboratory (2000))

Hình 1. 6. Mặt cắt đứng của một UHI điển hình

Đảo nhiệt đơ thị là hiện tƣợng đƣợc hình thành khi trong cùng một thời
gian, nhiệt độ trong thành phố lớn hơn nhiệt độ khu vực ngoại thành xung quanh
(Voogt và Oke , 2003), đây là các dạng thay đổi khí hậu địa phƣơng do tác động
của con ngƣời. Yếu tố đầu tiên đóng góp vào việc hình thành UHI là sự suy
giảm lớp phủ thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến
25

LUAN VAN CHAT LUONG download : add