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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA SAU ĐẠI HỌC




NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC





MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH
ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT
CỦA TP. HÀ NỘI




LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU






HÀ NỘI – 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC



MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH
ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ 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

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng 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 toàn cầu, các
bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tôi

trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tuy đã cố gắng nhƣng do thời gian và điều kiện có hạn nên không tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý của thầy cô và các bạn.

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2013
Học viên




Nguyễn Thị Bích Ngọc
4

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 không khí từ số đo trạm khí tƣợng mặt đất 55
3.6.1. Biến thiên nhiệt độ không khí trung bình năm 56
3.6.2. Đảo nhiệt đô thị trung bình năm 57
3.6.3. Đảo nhiệt đô thị trung bình tháng 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
5



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)


6

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 không khí trung bình năm giữa trạm Láng và các trạm lân
cận 58
Bảng 3. 4 : So sánh nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì 60





















7

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 đô 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 không gian đô thị giai đoạn 45
Hình 3. 3: Bản đồ biến động không gian đô 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 toàn 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 đô 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 không 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

8


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 quá trình đô thị hóa và công 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 toàn 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 đô 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 hoàn 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 quá trình đô thị hoá 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 đô thị. Có nhiều yếu tố đóng góp vào
việc hình thành đảo nhiệt đô thị, nhƣng yếu tố đầu tiên là sự suy giảm lớp phủ
thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không 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 đô thị hóa lớn nhất
cả nƣớc [10] đồng nghĩa với việc tăng diện tích bề mặt không thấm và giảm
9

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 đô thị ở VN hiện vẫn còn 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 không đảm bảo
chính xác cho toàn 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. Ngoài 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 đô 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 môi trƣờng, phân tích các mô hình phát triển đô 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 đô thị có

tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả đƣợc thể hiện trên toàn vùng,
chứ không 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 đô thị hóa
ở thủ đô Hà Nội, học viên đã đặt ra câu hỏi:
- Quá trình đô 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 đô thị và quá trình đô thị
hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của TP. Hà Nội” nhằm xác định mối
10

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 toàn 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 không khí.
1. Mục tiêu của luận văn:
Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt
độ đô 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 đô thị và hình thái không 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 không gian nghiên cứu hình thành phát

triển đô 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 quá trình đô 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
11

- 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
12

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 không gian. Sự cân bằng
của lƣợng bức xạ mặt trời bị hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: khả năng truyền
dẫn của không 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)
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
Hình 1. 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu