LUẬN văn THẠC sĩ HAY nghiên cứu xác định một số chỉ tiêu khí tượng bằng ảnh vệ tinh ở tỉnh thanh hóa
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.4 MB, 105 trang )
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 HĨA
CHUN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUN & MƠI 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ cơng trình nghiên
cứu nào đã cơng bố, tơi 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện đề tài, tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình,
sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân, tập thể giúp tôi hồn thành tốt bản
luận văn này.
Trước hết, tơi 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 tơi trong suốt
q 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 tơi thực hiện và
hồn 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 khơng 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
hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020
Học viên
Nguyễn Việt Anh
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 khơng 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 khơng khí, độ ẩm
tương đối khơng khí và lượng mưa từ ảnh viễn thám. ............................. 21
2.3.2. Xây dựng mơ hình tương quan các yếu tố khí tượng tính tốn từ
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 mơ hình tương quan yếu tố khí tượng tính tốn 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 khơng khí bằng dữ liệu viễn thám.....................52
4.2.1. Dữ liệu viễn thám và dữ liệu quan trắc.......................................... 52
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
v
4.2.2. Thực nghiệm tính tốn nhiệt độ khơng 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 tốn 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Ý nghĩa
AVHRR
Advanced very-high-resolution radiometer
BĐKH
Biến đổi khí hậu
CMAP
The
Climate
Prediction
Center
Merged
Analysis
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
NESDIS
of
National Environmental Satellite, Data, and Information
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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 11h................60
Bảng 4.4. Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 14h ................61
Bảng 4.5. Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 11h................61
Bảng 4.6. Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Mạng lưới ơ vng 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 cơng 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 thơng số Regression....................................................32
Hình 3.1. Bản đồ hành chính tỉnh Thanh Hóa..........................................................33
Hình 4.1. Mơ 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. Mơ 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 khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 11h ...............63
Hình 4.9. Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 14h ...............64
Hình 4.10. Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 11h .............65
Hình 4.11. Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 14h .............66
Hình 4.12. Bản đồ phân bố tổng lượng hơi nước trong khơng khí ngày 29/09/2019
lúc 13h50’ .....................................................................................................................69
Hình 4.13. Bản đồ phân bố tổng lượng hơi nước trong khơng 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
ix
Hình 4.16. Sức trương hơi nước bão hồ ngày 11/12/2019 13h .............................73
Hình 4.17. Sức trương hơi nước bão hồ ngày 29/09/2019 13h .............................74
Hình 4.18. Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối trong khơng khí ngày 29/09/2019 lúc
13h50’............................................................................................................................79
Hình 4.19. Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối trong khơng 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 khơ nóng; mùa đơng
lạnh ít mưa có sương giá, sương muối lại có gió mùa Đơng Bắc theo xu
hướng giảm dần từ biển vào đất liền, từ Bắc xuống Nam. Đôi khi có hiện
tượng dơng, sương mù, sương muối làm ảnh hưởng khơng nhỏ tới cây trồng
nơng 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 ngun 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 địi 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 khơng
những giúp con người sử dụng, khai thác hợp lý tài nguyên khí hậu mà cịn
tạo tiền đề cho các q 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 trị vơ 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 cơng 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 thơng số khí tượng phân bố theo khơng gian được u cầu cho
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
2
các mơ 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 thơng 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 thơng tin nhanh chóng, đồng bộ, khách quan. Ngồi ra,
với tính ưu việt là ước tính được nhiệt độ bề mặt và độ ẩm khơng 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 ngồi 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 ngồi 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 khơng được thả lên đến độ cao 36 km, mang theo các dụng cụ
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 khơng khí gần mặt đất.
Nhiệt độ khơng khí mơ tả trạng thái mức độ nóng lạnh của khơng khí.
Cụ thể hơn, nó mơ tả động năng, năng lượng chuyển động của các chất khí
tạo nên khơng khí trong bầu khí quyển. Khi các phân tử chuyển động nhanh
hơn, nó làm tăng nhiệt độ khơng khí.
Nhiệt độ khơng 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 khơng khí tác động rất mạnh đến
sinh vật và hệ sinh thái mơi trường.
Nhiệt độ khơng khí là một trong những thành phần quan trọng của
trạng thái khơng khí cùng với áp suất khơng khí, độ ẩm khơng khí, mật độ
khơng khí… Nó ảnh hưởng đến gần như tất cả các thơng số thời tiết như tỉ lệ
bốc hơi ( ảnh hưởng đến độ ẩm khơng khí), tốc độ gió và hướng gió, các mơ
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 khơng khí gần mặt đất được xác định là khoảng khơng 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 khơng 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
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 mơi
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 mơi 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 tốn 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 khơng khí gần
mặt đất trên thế giới.
Nhiệt độ khơng 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 khơng 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 tốn 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 khơng 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 khơng
khí ở độ cao 1.5 mét từ hệ thống quan trắc dữ liệu với nhiệt độ bề mặt từ dữ
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
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 khơng khí biến đổi vì thực vật và đó
cơ sở cho mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ khơng khí và nhiệt bề mặt.
Green năm 2002 cũng phát hiện ra mối tượng quan rất lớn giữa dữ liệu
nhiệt độ khơng khí ước tính từ đầu thu AVHRR với nhiệt độ khơng 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 khơng 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 khơng 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 khơng khí được ước tính bằng phép ngoại suy NDVI
thơng qua giá trị NDVI ở vùng phủ kín thực vật với nhiệt độ khơng khí khác
biệt cỡ 1-2 độ C. Nhiệt độ khơng khí có thể ngoại suy từ đường hợp lý nhất
thơng 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
7
Nhiệt độ khơng khí ước tính thơng qua việc tính nhiệt độ bề mặt sử
dụng mơ 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 khơng thực sự biểu thị nhiệt độ
khơng khí. Vệ tinh khí tượng Meteosat dựa trên việc ước tính tính hiệu hịa
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 mơ 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 khơng khí ước tính từ mối quan hệ giữa biến thể của khối
nhiệt và nhiệt độ khơng 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 khơng khí Tc - Ta và sự suy
giảm do bão hịa 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 khơng khí ước tính bằng phương pháp nội suy khơng gian.
Anderson năm 2002 nghiên cứu 3 phương pháp nội suy khơng gian để
ước tính nhiệt độ khơng khí. Giả định dữ liệu thuộc tính là liên tục theo khơng
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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
8
Nhiệt độ khơng khí ước tính theo phương pháp EARS.
EARS năm 2003 đã phát triển một nguyên lý ước tính nhiệt độ khơng
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 cơng thức: T’0n = a. T’0m + b theo dòng nhiệt trao
đổi với khơng khí. Trong phương pháp này, sự trao đổi nhiệt tuyệt đối là khi
khơng 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 khơng khí có mối
quan hệ tuyến tính với các hằng số Ta=b/(1-a). Nhiệt độ khơng khí này mơ 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 khơng
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 xn 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 khơng khí gần
mặt đất tại Việt Nam.
Nghiên cứu nhiệt độ khơng khí bằng cơng 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 khơng 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
9
Dương Văn Khảm và cộng sự (2009) đã “Ứng dụng ảnh vệ tinh
MODIS trong tính tốn 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 mơ 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 tốn nhiệt độ
khơng 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 tốn nhiệt độ khơng khí
bằng phương pháp Mendez (2004). Dữ liệu tính tốn nhiệt độ khí quyển từ dữ
liệu MODIS-7 tính nhiệt độ khơng 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 khơng khí
sát mặt đất. Các dữ liệu trạm khí tượng dùng để hiệu chỉnh.
Như vậy, việc xác định nhiệt độ khơng khí từ ảnh vệ tinh đã bước đầu
được ứng dụng tại Việt Nam nhưng còn rất hạn chế. Người ta thường tính
tốn nhiệt độ bề mặt đất là chính. Vì thế cơng tác nghiên cứu xác định nhiệt
độ khơng 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
khơng khí
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
10
1.2.2.1. Tổng quan ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng hơi nước và độ
ẩm khơng khí trên thế giới.
Trên thế giới, việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào tính các thơng 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 mơ hình chuyển đổi bức xạ với dữ liệu
nhiệt độ và độ ẩm chuẩn cho trên tồn bộ mặt biển. Trong đó, lượng hơi nước
tính tốn thơng 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].
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
11
Các nghiên cứu phát triển về sau của Eck và Holben, 1994; Choudhury, 1995
xây dựng mối quan hệ giữa độ chênh của kênh 4 và 5 trong đầu thu AVHRR
và độ ẩm.
Hàm lượng hơi nước của khí quyển là một tham số quan trọng có thể
được đo đạc trực tiếp từ ảnh vệ tinh. Thông thường người ta sử dụng vùng
cửa sổ khí quyển hấp thụ hơi nước, ví dụ như, đầu thu THIR của vệ tinh
NIMBUS 4 quan trắc bức xạ trong vùng 6.5 – 7.2 µm với độ phân giải không
gian 23 km. Như vậy bức xạ được quan trắc về cơ bản đến từ sự phát xạ từ
vùng 500 – 250 mb của tầng đối lưu trên. Bằng cách đánh giá ảnh sao chép
trong kênh phổ 6.7 µm, những vùng có nhiều mây hay nhiều hơi nước có thể
được tìm thấy trên ảnh bằng các mức độ sắc xám khác nhau. Những vùng khơ
hơn có tơng màu từ xám sẫm đến màu đen trong khi những vùng ẩm ướt có
tơng màu xám sáng hoặc trắng. Bằng cách liên kết các sắc xám này với dữ
liệu thám không, các chun gia phân tích có thể nhận được thơng tin về hàm
lượng hơi nước theo các tầng thẳng đứng. Từ ảnh này có thể có thể ước tính
được tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước so với khối lượng khơng khí khơ chứa
hơi nước đó trong mơi trường khí quyển.
Đầu thu MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer đặt
trên vệ tinh Terra và vệ tinh Aqua cho phép xác định hơi nước dựa trên việc
phát hiện sự hấp thụ của hơi nước đối với phản xạ năng lượng mặt trời từ bề
mặt trái đất khi nó truyền qua khí quyển. Theo chiều dọc tương đương với
tổng cột hơi nước, khi so sánh các phản xạ của các kênh bị hấp thụ với các
kênh khơng bị hấp thụ thì có thể xác định được lượng hơi nước trong khí
quyển (Gao and Goetz, 1990; Frouin ,1990; Kaufman và Gao, 1992; Thai và
Schonermark, 1998; Gao và Kaufman, 2003). Ba kênh hồng ngoại gần nằm ở
khoảng 0.94 μm là nới bị hơi nước hấp thụ mạnh nhất. Kỹ thuật khai thác tỉ số
giữa các kênh trung tâm gần 0.905, 0.936, 0.940 μm với của sổ khí quyển ở
0.865 và 1.24 μm được ứng dụng. Ứng dụng MODIS tính tổng cột hơi nước
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
12
áp dụng trong trường hợp trời quang mây và điều kiện chiếu sáng mặt trời tốt
(King, 2003). Thông thường, sai số xác định hơi nước của MODIS cỡ khoảng
5% đến 10% (; Gao và Kaufman, 2003). Nguồn gốc sai số là do năng lượng
thu được bao gồm cả bức xạ nhiệt khí quyển, độ ẩm …. (Kaufman và Gao,
1992; Bouffies, 1997).
Bên cạnh những vệ tinh quan trắc trái đất, những dữ liệu từ các đầu thu
siêu phổ như MERIS trên vệ tinh ENVISAT cũng là nguồn tư liệu quý và
được các nhà khoa học nghiên cứu khai thác. Sử dụng MERIS kết hợp với dữ
liệu đo GPS để xác định tổng cột hơi nước được Roderik Lindenbergh và các
công sự (2002) dựa trên ma trận phương sai – hiệp phương sai Goovaerts
(1997, J., 2001. MERIS với 2 kênh 885nm và 900nm có thể dùng để tính
lượng hơi nước (Bennartz, R. and Fischer, 2002).
Nghiên cứu của
R.Lindstrot và cộng sự năm 2011 đã tính tổng lượng hơi nước trong thời gian
ban ngày với phương pháp biến 1-D. Zhenhong Li (2005) còn sử dụng ngay
dữ liệu SAR để hiệu chỉnh và nâng cao độ chính xác ước tính tổng cột hơi
nước từ dữ liệu MERIS.
1.2.2.2. Tổng quan ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng hơi nước và độ
ẩm khơng khí tại Việt Nam.
Tại Việt Nam, các vệ tinh khí tượng như Meteosat và Phong Vân cũng
như dữ liệu NOAA đã được ứng dụng vào để dự báo thời tiết, nghiên cứu khí
tượng từ lâu. Tuy nhiên, việc dùng dữ liệu vệ tinh để tính tốn các thơng số
hàm lượng hơi nước, áp suất hơi nước, độ ẩm khơng khí và độ ẩm tương đối
cịn rất hạn chế. Mới chỉ có một số ít các nghiên cứu được tiến hành và thu
được các kết quả ban đầu khá khả quan.
Dương Văn Khảm trong nghiên cứu “Ứng dụng ảnh vệ tinh TerraAquar (MODIS) trong việc tính tốn độ ẩm khơng khí độ phân giải cao.
Trong đề tài này, tác giả đã dùng các kênh 2,17,18,19 để tính tốn lượng hơi
nước trong khí quyển rồi tính tốn hệ số hấp thụ, trên cơ sở đó tình tốn lượng
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
13
hơi nước trong khí quyển. Kết quả cho thấy sai số lớn nhất khoảng 12%. Từ
kết quả tính tốn lượng hơi nước, tác giả cũng tính tốn tiếp các thơng số khác
như độ ẩm riêng, độ ẩm tương đối…
Nguyễn Văn Tuấn (2019) hồn thành đề tài “Nghiên cứu tính tốn
dịng chảy phục vụ công tác quản lý và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Cả
trên cơ sở ứng dụng các mơ hình tốn và cơng nghệ viễn thám” thuộc Bộ
Nông nghiệp và Phát triển môn ứng dụng công nghệ viễn thám trong phân
tích, tính tốn và thành lập bản đồ hiện trạng thảm phủ, độ ẩm đất, bốc hơi và
lượng mưa cho lưu vực sông Cả. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu phục vụ tính tốn
dịng chảy và nhu cầu sử dụng nước lưu vực sơng Cả.
Ngồi ra, hiện nay, nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn
thám vào mơ hình dự báo mưa mà thơng số lượng hơi nước là một trong đầu
vào quan trọng như Hoàng Đức Cường, Nguyễn Thị Thanh, Trần Thị Thảo
với đề tài “Thử nghiệm ứng dụng dữ liệu vệ tinh cho mơ hình MM5”. Hay
nghiên cứu “Xây dựng trường ẩm cho mơ hình HRM từ số liệu vệ tinh địa
tĩnh dựa trên phương pháp biến phân ba chiều” của Lê Đức, Đỗ Lệ Thuỷ,
Lương Hồng Trung thực hiện.
1.2.3. Ứng dụng viễn thám ước tính lượng mưa
1.2.3.1. Tổng quan ứng dụng viễn thám ước tính ước tính lượng mưa trên thế giới.
Ước tính lượng mưa từ dữ liệu VIS/IR
Các ảnh mây vệ tinh ở vùng quang phổ nhìn thấy và vùng hồng ngoại
nhiệt có thể cung cấp phương tiện để ước tính lượng mưa. Điều này dựa trên
giả thiết rằng các đám mây có độ sáng cao quan sát được trên ảnh vệ tinh ở
vùng quang phổ nhìn thấy ngụ ý xác suất mưa cao hơn và nhiệt độ đỉnh mây
(cloud-top) thấp tìm được từ các ảnh hồng ngoại cũng có nghĩa là khả năng
xảy ra mưa lớn hơn. Tất cả các tính chất này chỉ ra sự hiện diện của những
đám mây lớn dày đặc. Bằng cách đó, các đám mây ngưng tụ có thể phân biệt
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
14
được với nhau trên cả hai loại ảnh vệ tinh này. Tuy nhiên, cũng có một số yếu
tố quyết định đến lượng nước mưa trong các đám mây làm cho trong một số
trường hợp giả thiết nói trên khơng đúng. Ví dụ như độ sáng của mây khơng
chỉ do độ dày của mây mà còn do các yếu tố khác như tỷ số diện tích/thể tích
và hướng của tia nắng mặt trời. Những yếu tố hình học này quyết định chiều
dài quang học của tia sáng trong mây.
Đi đầu có thể nói là các nhà khoa học Mỹ với các vệ tinh khí tượng
GOES với 17 thế hệ và các vệ tinh Jason, POES. Văn phòng OSPO thuộc
NOAA (Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ) đã thu thập,
xử lý và phân phối dữ liệu vệ tinh môi trường và các sản phẩm thu được về
điều kiện thời tiết, khí quyển, đại dương, đất liền và khơng gian gần Trái đất
cho người dùng trong và ngồi nước Mỹ. Dữ liệu vệ tinh viễn thám có vai trò
rất quan trọng trong việc phát hiện và giám sát lượng mưa. Vệ tinh thời tiết
đầu tiên được phóng vào năm 1960 chụp ảnh mây đã cung cấp cho Cục Quản
lý Dịch vụ Khoa học Môi trường (ESSA) cơ quan tiền thân của NOAA sử
dụng trong phân tích cấu trúc và chuyển động của các hệ thống đám mây. Các
biểu đồ này mô tả các đặc điểm của đám mây hữu ích cho việc tìm hiểu các
kiểu thời tiết (Smith và cộng sự, 1986), bao gồm các khu vực có thể bị ảnh
hưởng bởi lượng mưa: Kidder (1981) đã lưu ý chúng ta rằng vì mưa rơi từ các
đám mây, kiến thức về các vị trí của đám mây là bước đầu tiên hướng tới ước
tính lượng mưa.
Các kỹ thuật ban đầu (chẳng hạn như Lethbridge, 1967; Barrett, 1970;
Follansbee 1973, 1976) sử dụng dữ liệu IR và khả năng nhìn thấy để trích
xuất thơng tin về lượng mưa. Martin và Scherer (1973) lưu ý rằng lượng mưa
liên quan đến:
(i) trong vùng ánh sáng nhìn thấy, loại đám mây, các khu vực đám mây
và tốc độ lớn của đám mây và;
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
15
(ii) trong vùng IR, nhiệt độ đỉnh mây và tốc độ lớn của đám mây.
Một kỹ thuật khác sử dụng dữ liệu VIS/IR là phương pháp tiếp cận lịch sử
tồn tại. Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng dữ liệu có độ phân giải tạm thời tốt
để cung cấp thông tin đầy đủ về sự phát triển và chuyển động của đám mây.
Cơ sở cho nhóm kỹ thuật này là cường độ mưa sẽ thay đổi tùy theo giai đoạn
vòng đời của đám mây đối lưu. Scofield và Oliver (1977) đã tạo ra kỹ thuật
dựa trên các tiền đề sau đây:
(i) Mưa được xác nhận bởi độ sáng của mây cao.
(ii) Lượng mưa lớn được xác nhận bởi nhiệt độ trên đỉnh mây thấp, tăng
trưởng và kết hợp; mưa nhẹ được xác nhận bởi mây co lại và mây nóng lên.
(iii) Lượng mưa tập trung ở mặt cắt của mây dạng phẳng dầy.
Điểm mạnh của các phương pháp này là khả năng cung cấp các ước
tính nhanh chóng, khá chính xác về lượng mưa đối lưu từ các hình ảnh địa
tĩnh trong dải sóng nhìn thấy và IR thơng thường (Barrett và Martin, 1981).
Phương pháp tiếp cận lịch sử tồn tại tự động được phát triển bởi Griffith et
al. (1976, 1978) sử dụng vùng mây lạnh và sự thay đổi để tạo ra tỷ lệ mưa
theo thể tích: kỹ thuật này được đơn giản hóa bởi Negri và cộng sự. (1984),
bằng cách gán các tỷ lệ mưa khác nhau cho các đám mây lạnh nhất 50% và
10%, và được Adler và Negri (1988) hoàn thiện thêm thành Kỹ thuật đối
lưu-địa tầng (CST).
Các kỹ thuật trên được áp dụng nhiều nhất cho các trường hợp nghiên
cứu mà thời gian nghiên cứu không dài. Quy mô thời gian ngắn cho phép kỹ
thuật này được điều chỉnh cho phù hợp với sự thay đổi theo vùng và theo mùa
trong chế độ mưa. Các nghiên cứu dài hạn cần các quy trình ít phức tạp hơn,
về cơ bản là hoàn toàn tự động. Tuy nhiên, việc giảm độ phức tạp của kỹ
thuật được bù đắp bằng việc tăng số lượng dữ liệu trong chu kỳ tính.
Ước tính dữ liệu lượng mưa từ dữ liệu đa đầu thu
Dự án Khí hậu lượng mưa Tồn cầu (GPCP). GPCP do Chương trình
Nghiên cứu Khí hậu Thế giới (WCRP) thiết lập để định lượng và xác định sự
LUAN VAN CHAT LUONG download : add
