Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ

CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC

TRẦN PHÚC HƯNG

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ

TRẦN PHÚC HƯNG

CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
MÃ SỐ: 60440222
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Xuân Anh

Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Thanh Ngà

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Thái Thị Thanh Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 22 tháng 9 năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số
liệu LIDAR quan trắc xon khí” được hoàn thành tháng 8 năm 2018 tại trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và Viện Vật lý Địa cầu, để hoàn
thành nghiên cứu này tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ phía cơ quan,
nhà trường, gia đình và bạn bè.
Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn sát cánh và
động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và làm luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Anh đã truyền đạt những ý
tưởng khoa học, trực tiếp hướng dẫn để tác giả thực hiện và hoàn thiện luận
văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, truyền

đạt kiến thức cần thiết trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt nam đã tạo điều kiện về thời gian công tác, học hành, cung
cấp thiết bị LIDAR IGP để tác giả thực hiện các nghiên cứu trong luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới chương trình AERONET và dự án MPLNET
của cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã cũng cấp các nguồn
số liệu cho luận văn này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
sát cánh và giúp đỡ trong quá trình học tập, hoàn thiện luận văn này.
Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, vì vậy
những ý kiến đóng góp đều rất quý báu, tác giả rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp đó để có thể hoàn thiện luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!



LỜI CAM ĐOAN
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Phúc Hưng


MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU......................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC................................................................ 3
1.1. LIDAR ........................................................................................................ 3
1.1.1. Kỹ thuật LIDAR ................................................................................... 3
1.1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR ............................................................. 3
1.1.3. Hệ thống LIDAR .................................................................................. 4
1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR ...................................................... 4
1.1.5. Phương trình LIDAR ............................................................................ 5
1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR . 6
1.2. Khí quyển và các thông số khí quyển ........................................................ 8
1.2.1. Cấu trúc của khí quyển ......................................................................... 8
1.2.2. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển .................................... 9
1.2.3. Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR ....................................... 10

i


1.2.4. Lớp biên hành tinh .............................................................................. 12
1.3. Xon khí ..................................................................................................... 13
1.3.1. Định nghĩa .......................................................................................... 13
1.3.2. Độ dày quang học xon khí .................................................................. 14
1.3.3. Các tác động của xon khí.................................................................... 15
1.3.4. Quan trắc xon khí bằng LIDAR ......................................................... 15
CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 17
2.1. Số liệu ....................................................................................................... 17
2.1.1. LIDAR ................................................................................................ 17

2.1.2. AERONET.......................................................................................... 23
2.1.3. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) ..................................... 25
2.1.4. Số liệu bóng thám không .................................................................... 26
2.2. Các phương pháp xác định các thông số khí quyển ................................. 27
2.2.1. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc ............................ 27
2.2.2. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm
biên

............................................................................................................ 28

2.2.3. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển ............................. 31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 34
3.1. Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR ............... 34
3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán .............................................. 34
3.1.2. Chương trình tính ............................................................................... 39
3.2. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể ................ 41
ii


3.2.1. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết
bị LIDAR IGP ................................................................................................. 41
3.2.2. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017 ...................... 48
3.2.3. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám
không ............................................................................................................ 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 52
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 54
PHỤ LỤC I ........................................................ Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC II ....................................................... Error! Bookmark not defined.

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Trần Phúc Hưng
Lớp: CH2B.K

Khoá: II

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Anh
Tên đề tài: Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu
LIDAR quan trắc xon khí.
Tóm tắt: Luận văn này trình bày các bước xử lý số liệu LIDAR theo
phương pháp điểm biên (phương pháp Klett – Fernald) để tính toán các thông
số khí quyển như hệ số suy hao gây ra bởi xon khí hệ số tán xạ ngược xon
khí. Các đối tượng khác trong khí quyển như độ cao lớp biên, độ cao lớp xon
khí, sự phân bố của xon khí trong khí quyển sẽ được xác định và đánh giá dựa
trên các tín hiệu LIDAR được xử lý và các thông số khí quyển được tính toán.

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Hệ số suy hao tổng cộng
Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí
Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử
Hệ số tán xạ ngược tổng cộng
Hệ số tán xạ ngược xon khí
Hệ số tán xạ ngược phân tử
Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z
X(Z)

Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách tại khoảng cách Z
Năng lượng xung laser phát đi
Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị)
Tốc độ ánh sáng
Khoảng cách từ LIDAR tới mục tiêu
Độ truyền qua của khí quyển gây ra bởi xon khí
Độ truyền qua bởi khí quyển gây ra bởi phân tử
Độ dày quang học tại một bước sóng bất kỳ
Bước sóng
Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách
Tỉ số LIDAR đối với xon khí
TỈ số giữa suy hao và tán xạ phân tử
Mật độ
Bán kính hiệu quả
Albedo tán xạ đơn
thông số bất đối xứng

v


Hệ số Ångström
Nhiệt độ thế vị

vi


Luận văn đủ ở file: Luận văn full