đề tài nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng công nghệ gps để theo dõi trạng thái của tầng điện ly và tầng đối lưu.

Tức là từ các số liệu đo GPS tại các điểm đo đã biết tọa độ và bằng quy trình tính toán thích hợp ta có thể xác định được độ trễ tầng điện ly và đối lưu và từ đó tính các tham số TEC và

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội

-*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

CỦA VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THEO DÕI TRẠNG THÁI CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG ĐỐI LƯU

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội

-*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

CỦA VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THEO DÕI TRẠNG THÁI CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG ĐỐI LƯU

Số đăng ký:

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS DƯƠNG CHÍ CÔNG

Hà Nội - 2010

BTNMT VKHĐĐBĐ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI

TL BỘ TRƯỞNG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

VỤ TRƯỞNG VỤ KHOA HỌC-CÔNG NGHỆ

TS Nguyễn Đắc Đồng

Hà Nội - 2010

BTNMT VKHĐĐBĐ

MỤC LỤC trang

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC BẢNG xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG (TEC) VÀ LƯỢNG HƠI NƯỚC TÍCH TỤ (PWV) TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5

1.1 Khái quát về tầng điện ly và tầng đối lưu 5

1.2 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV trên thế giới 8

1.3 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV ở Việt Nam 13

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU ĐO TRỰC TIẾP VÀ VIỄN THÁM 16

2.1 Các phương pháp xác định trực tiếp TEC, PWV 16

2.1.1 Xác định TEC từ nguồn số liệu đo trực tiếp 16

2.1.2 Xác định PWV từ nguồn số liệu bóng thám không vô tuyến 18

2.2 Phương pháp xác định PWV bằng viễn thám 22

2.2.1 Xác định PWV từ sensơ sóng gần hồng ngoại 23

2.2.2 Xác định PWV từ sensơ sóng hồng ngoại bằng công nghệ split-window 26

2.2.3 Xác định PWV từ sensơ sóng hồng ngoại bằng phương pháp hồi quy vật lý 27

2.2.4 Xác định PWV từ sensơ sóng micro wave 28

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU GPS 30

3.1 Phương pháp và thuật toán xác định TEC 30

3.1.1 Nguyên lý xác định TEC tầng điện ly 30

3.1.2 Mô hình lớp đơn tầng điện ly theo Klobuchar 33

3.1.3 Các trị đo GPS và phương pháp kết hợp chúng để xác định TEC 37

3.1.4 Thuật toán xác định TEC 41

3.2 Phương pháp và thuật toán xác định PWV 45

3.2.1 Ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với trị đo GPS 45

3.2.2 Lượng hơi nước tích tụ PWV tầng đối lưu 53

3.2.3 Phương pháp và thuật toán xác định PWV 54

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU VIỄN THÁM VÀ SỐ LIỆU ĐO GPS LÃNH THỔ VIỆT NAM 61

4.1 Đề xuất sử dụng các phần mềm GUST, GAMIT/ GLOBK và BERNESE để xác định VTEC và PWV 61

4.2 Số liệu đo GPS các điểm lưới Châu Á - Thái Bình Dương tại Việt Nam 68

4.3 Kết quả xác định PWV từ ảnh viễn thám MODIS lãnh thổ Việt Nam 70

4.4 Kết quả xác định TEC, PWV từ số liệu đo GPS lãnh thổ Việt Nam 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC MỘT SỐ TỆP KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH VTEC, TZD, PWV 89

MỞ ĐẦU

Hơn hai chục năm trở lại đây sự ra đời và ứng dụng nhanh chóng của Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS đã tạo nên những tiến bộ và thay đổi cơ bản không chỉ trong công tác đo đạc trắc địa, mà cả trong nghiên cứu các tham số khí quyển nữa

sóng cực ngắn và chỉ số chiết quang của tầng điện ly (từ độ cao 70 đến 1000 km) và của tầng đối lưu (từ mặt đất lên tới độ cao 20 km) nên xảy ra độ trễ của các tín hiệu

GPS ở 2 tầng khí quyển này Chúng là các hàm số của mật độ điện tử tổng cộng TEC (Total Electron Content) và của lượng hơi nước tích tụ PWV (Precipitable Water Vapor) tương ứng Để có được tọa độ chính xác của điểm đo cần hiệu chỉnh

trị đo GPS theo các độ trễ nói trên và ngược lại nếu đã có tọa độ chính xác của điểm

đo thì ta hoàn toàn có thể xác định được các độ trễ nói trên Tức là từ các số liệu đo GPS tại các điểm đo đã biết tọa độ và bằng quy trình tính toán thích hợp ta có thể xác định được độ trễ tầng điện ly và đối lưu và từ đó tính các tham số TEC và PWV phục vụ theo dõi trạng thái tầng điện ly và tầng đối lưu khu vực nghiên cứu

Từ đầu những năm 90 ở Việt Nam đã triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ GPS trong đo đạc trắc địa, định vị dẫn đường, Hiện nay việc mở rộng khả năng sử dụng các dữ liệu GPS vào các lĩnh vực khác như nghiên cứu các tầng khí quyển, nghiên cứu khí tượng, là rất cần thiết và cấp bách Nó rất có ý nghĩa về mặt khoa học kỹ thuật như khai thác triệt để hơn số liệu đo GPS, mở ra các ứng dụng mới của công nghệ GPS, hỗ trợ cho các nghiên cứu về khí quyển, khí tượng ở nước ta Việc xác định độ ẩm không khí, lượng hơi nước tích tụ, thường được thực hiện bằng máy thám không vô tuyến, máy đo bức xạ kế hơi nước, Những thiết bị này thường hoạt động không ổn định trong những điều kiện thời tiết đặc biệt như mưa rào, hoặc sương mù, Nếu việc xác định các tham số khí quyển như TEC, PWV, được thực hiện từ dữ liệu đo GPS thì sẽ khắc phục được nhược điểm này vì máy thu GPS là những thiết bị chắc gọn, chịu được mọi thời tiết, và chỉ yêu cầu tối thiểu về mặt bảo quản vận hành Hơn nữa chúng có giá thành thấp hơn các thiết bị chuyên dụng nêu trên nên việc triển khai ứng dụng công nghệ GPS trong nghiên cứu xác định các tham số khí quyển sẽ có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế: tiết kiệm không cần phải đầu tư

công nghệ GPS này cũng sẽ là sự trợ giúp quan trọng trong công tác dự báo, giảm nhẹ thiên tai, tăng cường an ninh quốc phòng trên lãnh thổ nước ta hiện nay

Bộ: "Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng công nghệ GPS

để theo dõi trạng thái của tầng điện ly và tầng đối lưu" thời gian 2007 - 2008

Thực hiện đề tài này sẽ bước đầu góp phần xây dựng phương pháp và quy trình xác định TEC, PWV từ các dữ liệu đo GPS trong điều kiện cụ thể của Việt Nam và xây dựng bản đồ TEC, PWV cho toàn lãnh thổ đất nước

Đề tài có các mục tiêu chính như sau:

- Xác định ý nghĩa của việc sử dụng công nghệ GPS để theo dõi trạng thái của tầng điện ly và tầng đối lưu đối với nghiên cứu khí quyển, công tác dự báo thời tiết và an ninh quốc phòng

- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC tầng điện ly và PWV tầng đối lưu từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao

- Thực nghiệm xác định các tham số TEC và PWV tại một thời điểm cụ thể trên một

số điểm GPS độ chính xác cao ở Việt Nam

Để đạt được các mục tiêu trên đề tài đã thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Phân tích ảnh hưởng của các lớp khí quyển đối với tín hiệu GPS

- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC và PWV từ các số liệu đo trực tiếp, ảnh viễn thám

- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC và PWV từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS

độ chính xác cao

- Thiết lập thuật toán, qui trình xác định TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS

- Xác định TEC và PWV cho một số điểm GPS độ chính xác cao ở Việt Nam

- Thiết lập bản đồ TEC và PWV cho khu vực nghiên cứu

- Viết báo cáo tổng kết đề tài

- Báo cáo chuyên đề về tình hình ứng dụng các phương pháp, mô hình xác định TEC, PWV trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay

- Các chương trình lựa chọn VTEC (Vertical TEC: TEC phương thẳng đứng), xác định PWV, vẽ đồ thị và bản đồ VTEC và PWV

- Quy trình thành lập bản đồ VTEC, PWV theo các điểm lưới GPS Châu Á - Thái Bình Dương ở Việt Nam

Các thành viên chính tham gia thực hiện đề tài và viết báo cáo tổng kết:

- TS Dương Chí Công, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (chủ biên chương 1, sử dụng các phần mềm GAMIT/GLOBK, BERNESE 4.2, phần 4.2, tham gia viết phần

4.4, tổng hợp và hoàn thiện báo cáo tổng kết),

- PGS TSKH Hà Minh Hòa, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (tham gia viết phần

3.1.1),

- TS Nguyễn Ngọc Lâu, Trường Đại học Bách khoa TP HCM (chủ biên chương 3,

sử dụng phần mềm GUST và tham gia viết phần 4.4),

- PGS TS Vũ Thanh Ca, Viện Nghiên cứu quản lý Biển và Hải đảo, Tổng cục Biển

và Hải đảo Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường (chủ biên các phần 2.1.2, 2.2,

4.3)

Nội dung báo cáo tổng kết đề tài bao gồm phần Mở đầu, 4 chương, Kết luận

và Kiến nghị, Tài liệu tham khảo được trình bày trong 88 trang, có 25 hình vẽ, 9 bảng, tham khảo 45 văn liệu trong nước và quốc tế, một số trang web, cùng 55 trang phụ lục kèm theo:

CHƯƠNG 1 đánh giá tổng quan các kết quả thu được trong nghiên cứu xác

định TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS trên thế giới và trong nước

CHƯƠNG 2 giới thiệu một số phương pháp xác định TEC và PWV từ số

liệu đo trực tiếp và số liệu viễn thám

CHƯƠNG 3 trình bày phương pháp và một số thuật toán xác định TEC và

PWV từ dữ liệu đo GPS

CHƯƠNG 4 giới thiệu các phần mềm xử lý số liệu GPS độ chính xác cao

GUST 1.3 (Việt Nam), GAMIT/GLOBK 10.3 (MIT) và BERNESE 4.2 (Thụy Sĩ)

và mô tả một số kết quả thử nghiệm xác định VTEC và PWV từ dữ liệu đo GPS lưới Châu Á - Thái Bình Dương và từ ảnh vệ tinh MODIS lãnh thổ Việt Nam

Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ khẳng định việc nghiên cứu xác định

TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS là hoàn toàn phù hợp với thực tiễn nước ta hiện nay, đánh giá các kết quả đạt được: nghiên cứu xây dựng thuật toán, cập nhật các chương trình máy tính, thử nghiệm tính toán VTEC, PWV trên một số điểm đo GPS tại Việt Nam, đưa ra quy trình thiết lập các đồ thị, bản đồ đường đồng mức biến thiên VTEC, PWV với độ chính xác tương đối phù hợp với các kết quả nghiên cứu hiện nay trên thế giới Một số nội dung các công việc cần tiến hành trong thời gian tới cũng được đề xuất trong hướng nghiên cứu khí quyển bằng công nghệ GPS

Chúng tôi chân thành cám ơn Ông Phan Ngọc Mai (Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam) đã cung cấp số liệu đo GPS lưới Châu Á - Thái Bình Dương tại Việt Nam trong các năm 2006 và 2007

Chúng tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Vụ Khoa học-Công nghệ (Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã tạo điều kiện và giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình hoàn thành báo cáo tổng kết này

Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn và tài liệu thu thập được nên báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Chúng tôi rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các nhà chuyên môn, các cơ sở nghiên cứu và sản xuất để

có thể chỉnh sửa, hoàn thiện báo cáo được tốt hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẬT

ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG (TEC) VÀ LƯỢNG HƠI NƯỚC TÍCH TỤ (PWV) TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Khái quát về tầng điện ly và tầng đối lưu

Cấu trúc khí quyển Trái đất có thể được phân chia tùy theo các đặc tính hóa

lý khác nhau (Hình 1.1)

Dựa vào đặc tính truyền sóng điện từ khí quyển Trái đất có thể được chia thành tầng điện ly và tầng đối lưu:

- Tầng đối lưu là lớp khí quyển ở thấp có độ cao từ bề mặt Trái đất lên đến khoảng

40 km Lượng hơi nước và nhiệt độ là những yếu tố ảnh hưởng chính đến sóng điện

từ

- Tầng điện ly là lớp khí quyển ở phía trên từ độ cao khoảng 70 cho tới 1000 km Sóng điện từ truyền qua tầng điện ly bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các phần tử tích điện

ở đây

thì các tia Rơnghen và các dòng electron và proton đến Trái Đất được tăng cường Khi các dòng này va chạm vào khí quyển Trái Đất, không khí ở tầng điện ly bị ion hóa mạnh hơn dẫn đến mật độ các hạt mang điện được tăng lên rất nhiều lần Điều này dẫn đến tần số các sóng vô tuyến thỏa mãn điều kiện phản xạ ở tầng điện ly bị nâng cao Các tín hiệu truyền của các vệ tinh không còn thỏa mãn các điều kiện phản xạ nữa và do đó việc thu nhận tín hiệu không còn diễn ra bình thường nữa, có khi bị mất hẳn Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của tầng điện ly đến tín hiệu truyền radio là rất cần thiết

Độ cao [km] Nhiệt độ Ion hóa Từ trường Truyền sóng

100 000

10 000 Tầng nhiệt Tầng proton Quyển manhêtô

Tầng trung lưu

100 Tầng bình lưu Tầng trung tính Quyển đinamô

Hình 1.1 Cấu trúc khí quyển Trái đất theo đặc tính vật lý (Seeber, 2003)

Tầng điện ly là một tầng chứa các điện tích (bao gồm các ion và điện tử tự do), là do kết quả của việc ion hoá trạng thái của tầng đối lưu bằng các tia cực tím

và tia X do mặt trời bức xạ Tầng điện ly được phân bố từ độ cao 70 đến 1000 km

so với bề mặt trái đất và tập trung ở độ cao trung bình khoảng 400 km Không khí ở tầng này bị ion hóa bởi các hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời và từ vũ trụ, tạo ra các hạt điện tử tự do Tùy theo mật độ của các điện tích TEC mà tầng điện ly có khả năng cho truyền qua hoặc phản xạ các sóng vô tuyến có tần số khác nhau Mật độ các hạt điện tử lớn thì sóng phản xạ có tần số phải càng lớn Căn cứ vào nồng độ điện tử TEC tầng điện ly được chia thành các lớp D, E và F:

- Lớp D nằm ở độ cao khoảng từ 60 đến 90 km, vào ban đêm lớp D hầu như biến mất

- Tiếp theo là lớp E nằm ở độ cao từ 85 đến 140 km Ở lớp này nồng độ điện tử tăng theo độ cao vào ban ngày Ban đêm nồng độ điện tử lớp này giảm đi rõ rệt

- Lớp F nằm ở độ cao trên 140 km và thường được chia thành các lớp phụ là F1 (từ

140 đến 200 km) và F2 (từ 200 đến 1000 km)

Hình 1.2 minh họa cụ thể hơn cấu trúc lớp F và nồng độ điện tử trung bình theo

ngày và đêm của tầng điện ly (Davies, 1990)

Hình 1.2 Phân bố mật độ điện tử tầng điện ly theo độ cao (Davies, 1990)

truyền) khi truyền qua tầng đối lưu Nguyên nhân chính sóng vô tuyến bị khúc xạ ở tầng đối lưu là hơi nước Tầng đối lưu phân bố từ mặt đất lên tới độ cao khoảng 40

km, 90% trọng lượng khí quyển ở dưới độ cao 16 km, và khoảng 99% ở dưới độ cao 30 km

Hơi nước trong khí quyển là một trong những khí nhà kính quan trọng gây nên quá trình nóng lên toàn cầu Nó cho phép bức xạ sóng ngắn từ mặt trời truyền qua nhưng lại ngăn không cho bức xạ sóng dài từ mặt đất truyền ra khỏi bầu khí quyển, làm nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhà kính Nhiệt độ khí quyển tăng làm tăng khả năng chứa đựng lượng hơi nước của khối khí, do đó làm tăng hiệu ứng nhà kính

Hầu hết hơi nước trong khí quyển có nguồn gốc từ bề mặt trái đất, nơi xảy ra

sự bốc hơi nước từ đại dương và lục địa, và sự bốc hơi từ thực vật vào trong khí quyển Hơi nước trong khí quyển có thể vận chuyển theo cả phương ngang và phương thẳng đứng hoặc ngưng kết thành nước lỏng hoặc thành các hạt băng trong các đám mây Sự vận chuyển hơi nước là một nhân tố quan trọng trong việc xác định khí hậu toàn cầu Sự chuyển động của hơi nước trong khí quyển thể hiện sự vận chuyển năng lượng dưới dạng ẩn nhiệt Trong quá trình ngưng kết, ẩn nhiệt được giải phóng và chuyển thành hiển nhiệt, do đó trở thành nguồn nhiệt khí quyển

thời tiết và khí hậu Do vậy, việc xác định lượng hơi nước có trong khí quyển là hết sức quan trọng và cần thiết

Đối với sóng điện từ rađiô thì tầng đối lưu không phải là môi trường tán sắc

Hệ số chiết quang sóng rađiô độc lập với tần số, nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất không khí và áp suất hơi nước

Lượng hơi nước tích tụ PWV đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình động lực học khí quyển Nhiệt lượng và sự phân bố của hơi nước cho biết tính ổn định theo độ cao của khí quyển, cấu trúc và sự tiến triển của các hệ thống bão khí quyển

1.2 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV trên thế giới

Một số mô hình tầng điện ly có thể được phân thành các mô hình thực nghiệm và mô hình lý thuyết Mô hình tầng điện ly thực nghiệm được xác định dựa trên số lượng lớn các dữ liệu điện ly thu thập trong thời gian dài biểu thị các hoạt động của Mặt Trời, các thay đổi theo mùa, theo tọa độ địa lý, Mô hình tầng điện

ly lý thuyết được xây dựng trên cơ sở các tính chất địa vật lý, các tính chất hóa lý của tầng điện ly

International Reference Ionosphere) và mô hình điện ly tham số lý thuyết (PIM: Parameterized Ionospheric Model) là các mô hình điện ly được nhiều tổ chức sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc tầng điện ly Mô hình IRI là một dự án quốc tế được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Không gian COSPAR (COmmittee on SPAce Research) và Hợp tác Quốc tế về Khoa học Vô tuyến URSI (International Union of Radio Science) Mô hình IRI xác định giá trị trung bình tháng của mật độ, nhiệt độ điện tử, thành phần và nhiệt độ ion,… trong khoảng độ cao từ 50km tới 2000km

điện ly bằng sóng radio (Ionosonde), máy thu radar phản hồi rời rạc (Incoherent Backscatter Radar), máy thu radar phản hồi nghiêng (Oblique Backscatter Radar), được sử dụng chủ yếu trong các trạm nghiên cứu vật lý khí quyển tổng hợp

Các phương pháp khảo sát nghiên cứu tầng điện ly với sự trợ giúp của các hệ thống vệ tinh khác nhau như Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS, GLONASS, Transit, TOPEX/Poseidon, DORIS, cũng đã được triển khai từ lâu trên thế giới Từ cách đây hơn 40 năm, dựa vào các trượt Doppler trên hai tần số của vệ tinh Transit (Hải quân Mỹ) người ta đã có thể xác định được sự biến đổi của mật độ điện tử tổng

cộng tầng điện ly TEC (là tổng lượng điện tử chứa trong hình trụ tròn xoay có

thu và giới hạn bởi ranh giới tầng điện ly) sau khi vệ tinh bay qua

Ngày nay với sự phát triển và mở rộng nhanh chóng của Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS giá trị TEC toàn cầu và của từng khu vực đã được dự báo và xác định gần với thời gian thực Đây là nội dung chính của đề tài sẽ được trình bày chi tiết ở các chương sau Trong phần này chỉ điểm qua nét chính một số kết quả ứng

dụng trên thế giới và trong nước Giá trị TEC phương thiên đỉnh (tổng lượng điện tử

trong hình trụ đứng có thiết diện là 1 m 2 tại điểm đo - giới hạn bởi ranh giới tầng điện ly) tại các trạm đo GPS được xác định theo tổ hợp tuyến tính trị đo P4, L4, sau

đó các mô hình 2 chiều của tầng điện ly được xác định tùy theo độ lớn của khu vực nghiên cứu: mô hình trạm đo, địa phương, khu vực, hoặc toàn cầu

Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp để xác định lượng hơi nước có trong khí quyển Một số phương pháp xác định lượng hơi nước có thể được kể đến như sau:

- Quan trắc bề mặt: Các quan trắc khí tượng bề mặt với dụng cụ đo độ ẩm như ẩm

kế, nhiệt kế ướt Quan trắc này cho số liệu ẩm (số liệu về lượng hơi nước) toàn cầu với độ chính xác cao và có thể cung cấp chuỗi số liệu dài Tuy nhiên, phương pháp này chỉ cung cấp số liệu bề mặt trái đất và sự phân bố theo không gian của số liệu này là không đều, phụ thuộc vào vị trí đặt trạm quan trắc

- Bóng thám không vô tuyến: Các quan trắc được thực hiện nhờ các sensơ gắn trên bóng thám không Các sensơ đo độ ẩm bao gồm các sensơ điện dung, tóc con người, Phương pháp này được sử dụng từ những năm thập niên 30 của thế kỷ XX nên có thể cho chuỗi số liệu dài Trên toàn thế giới có khoảng 800 trạm quan trắc thám không vô tuyến với khoảng 1 đến 4 lần trong ngày Số liệu nhận được từ phương pháp này có độ phân giải thẳng đứng rất tốt Tuy nhiên, chất lượng của số

liệu chỉ giới hạn đến độ cao đỉnh tầng đối lưu, ở tầng bình lưu số liệu thu được rất thưa thớt và chất lượng không đảm bảo Ngoài ra,chất lượng quan trắc sẽ không tốt nếu điều kiện thời tiết quá khô hoặc quá ẩm Các máy móc đo có thể bị mất đi nên phương pháp này là khá tốn kém Các máy móc đo đạc và phương thức thực hiện đo

là khác nhau đối với mỗi quốc gia nên việc nội suy các số liệu này gặp rất nhiều khó khăn Mặc dù bóng thám không có thể cung cấp mặt cắt của hơi nước nhưng sự phân bố số liệu theo phương ngang là quá thưa thớt và thời gian quan trắc là quá dài

để quan trắc sự thay đổi nhanh của hơi nước theo không gian và thời gian

- Vệ tinh: Các quan trắc được thực hiện bằng các sensơ hồng ngoại (TOVS) hay các sensơ vi sóng (microwave) (SMMR, SSM/I, AMSU-B) Các sensơ sóng hồng ngoại cung cấp thông tin về tổng cột hơi nước và mặt cắt hơi nước ở một số mực thẳng đứng bao phủ không gian rộng nhưng thưa thớt theo phương thẳng đứng, còn các sensơ sóng microwave cung cấp thông tin tổng cột hơi nước bao phủ vùng đại dương rộng lớn Những quan trắc từ vệ tinh không thể cung cấp số liệu hơi nước trong tất cả các điều kiện thời tiết và trên tất cả các mực

- Máy bay: Phương pháp này thực hiện bằng các gắn các sensơ đo độ ẩm vào máy bay Các đo đạc ở trên máy bay có thể được thực hiện ở hầu hết các vị trí và ở bất

cứ thời điểm nào Tuy nhiên, chi phí cho phương pháp này khá đắt tiền và diện tích bao phủ nhỏ hẹp

- Phương pháp viễn thám từ mặt đất: Các trạm radar mặt đất cung cấp số liệu ngày của hơi nước với độ chính xác cao và độ phân giải thẳng đứng tốt Tuy nhiên, phương pháp này rất đắt tiền và bị hạn chế bởi chỉ có thể đo đạc vào ban ngày và bị ảnh hưởng bởi mây

Việc kết hợp những phương pháp đo vệ tinh viễn thám và phương pháp đo trực tiếp cung cấp chuỗi số liệu hơi nước với độ phân giải theo phương thẳng đứng

và độ bao phủ không gian tốt hơn Việc kết hợp những số liệu quan trắc và các mô hình khí quyển cũng được sử dụng cho những vùng không có hoặc chưa có đủ số liệu quan trắc

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS: Các tín hiệu nhận được từ hệ thống định vị toàn cầu đã cho phép xác định được lượng hơi nước có trong khí quyển và có thể cung cấp số liệu dài hạn của tổng cột hơi nước

Khi xử lý các dữ liệu đo GPS độ chính xác cao giá trị TEC và PWV thường được xác định theo các bước sau trong trường hợp các điểm lưới chưa có tọa độ chính xác:

1) Xử lý dữ liệu đo GPS của lưới khu vực nghiên cứu để tính toán tọa độ các điểm lưới theo Khung quy chiếu Quả đất ITRF với độ chính xác cao nhất (sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác của Tổ chức Dịch vụ các Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu Quốc tế: International Global Navigation Satellite Systems Service, gọi tắt là IGS) 2) Xử lý lại dữ liệu đo GPS với tọa độ các điểm lưới được cố định TEC và các độ

trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh được xác định tuân theo qui luật xác suất

Gauss-Markov bậc nhất hoặc bước ngẫu nhiên Sau đó dựa vào các số đo khí tượng mặt

đất hoặc của một mô hình khí quyển thích hợp để tính PWV PWV là đại lượng tỷ

lệ thuận với độ trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh

Thiết lập mô hình và xác định PWV và TEC tại các điểm đo GPS là xuất phát từ nhu cầu nâng cao độ chính xác xác định vị trí điểm đo và đã được đưa vào các phần mềm xử lý số liệu đo GPS độ chính xác cao Các phần mềm này ngày càng hoàn chỉnh và các kết quả xác định PWV và TEC cũng đạt được độ chính xác cao hơn Các phần mềm xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao như BERNESE (Hugentobler et al., 2001) và GAMIT/GLOBK (Herring et al., 2009a) được ứng dụng để tính toán xác định giá trị TEC, PWV phạm vi khu vực và toàn cầu Phần mềm BERNESE (kể từ phiên bản 4.2) có thêm tính năng xác định các mô hình 2 chiều tầng điện ly Phần mềm GAMIT từ phiên bản 10.3 được trang bị thêm tiện ích tính PWV từ mô hình khí quyển toàn cầu và từ số liệu khí tượng mặt đất

Một ứng dụng quan trọng của mô hình TEC khu vực hoặc địa phương là có thể xác định các số hiệu chỉnh độ trễ tầng điện ly để nâng cao độ chính xác các trị

đo cho các máy thu 1 tần số trong định vị động (Luntama and Kauristie, 2007)

Tổ chức IGS ngoài việc cung cấp dữ liệu đo GPS, quỹ đạo vệ tinh chính xác, sai số đồng hồ vệ tinh, còn cung cấp nhanh giá trị độ trễ tầng đối lưu phương thiên

điện tử/m 2 ) tại các trạm đo thường trực của mạng lưới IGS toàn cầu (Bảng 1.1)

Trung tâm xử lý số liệu CODE (Center for Orbit Determination in Europe, Viện

độ trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh (với độ chính xác 1-2 mm) và TEC (với độ chính xác ~0,7-1,0 TECU) cho hơn 100 điểm đo trên toàn cầu Cũng với phần mềm này Hiệp hội các Trường Đại học nghiên cứu Khí quyển UCAR (The University Corporation for Atmospheric Research) thường xuyên cung cấp bản đồ PWV (độ chính xác vài cm) và TEC (độ chính xác vài TECU) theo thời gian thực cho toàn nước Mỹ Số liệu đợt đo GPS/STORM (5/1993) trên 6 điểm tại các bang Oklahoma, Kansas và Colorado (Hoa Kỳ) đã được xử lý bằng tổ hợp phần mềm GAMIT/GLOBK kết hợp cùng các số liệu đo nhiệt độ áp suất bề mặt để xác định lượng hơi nước tích tụ PWV tầng đối lưu (với độ chính xác 1-2 mm) tại các điểm đo (Teunissen and Kleusberg, 1998)

Bảng 1.1 Lịch cấp các tham số khí quyển của tổ chức IGS

Tham số

khí quyển Độ chính xác Thời điểm cấp Số lần cập nhật

Khoảng thời gian tính và lưới

(MaryLand-IGN (Pháp) KASI (Hàn Quốc) SOPAC (California- Hoa kỳ)

(MaryLand-IGN (Pháp) KASI (Hàn Quốc)

(MaryLand-IGN (Pháp) KASI (Hàn Quốc)

Đánh giá chung về phương pháp xác định TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS ta thấy rằng các kết quả thu được với độ chính xác cao ở quy mô khu vực và toàn cầu như đã nêu chỉ có thể đạt được với các điều kiện sau:

1 Tồn tại mạng lưới các điểm đo GPS thường xuyên với các điểm đo phân bố tương đối đều trên khu vực nghiên cứu

2 Số liệu đo GPS phải được truyền về một trung tâm tính toán theo từng giờ để có thể xác định PWV và TEC gần thời gian thực

3 Trung tâm tính toán thực hiện tự động quá trình xử lý dữ liệu GPS gồm: nhận quỹ đạo vệ tinh dự báo cực nhanh (Ultra-Rapid Predicted Half Orbit) từ tổ chức IGS, nhận số liệu đo GPS từ các điểm đo, tiền xử lý dữ liệu GPS, xác định độ trễ toàn phần tầng đối lưu phương thiên đỉnh, tính PWV, chọn mô hình tầng điện ly thích hợp (theo quy mô mạng lưới đo GPS), và lập bản đồ hiện trạng PWV và TEC

1.3 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV ở Việt Nam

Network) giữa Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia Nhật Bản (NICT: National Institute of Information and Communications Technology) và Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2006 đã cài đặt và đưa vào sử dụng một

số thiết bị thăm dò và đo độ nhấp nháy tầng điện ly tại các trạm quan trắc vật lý khí quyển ở Việt Nam

Ở nước ta vấn đề lý thuyết xác định TEC bằng công nghệ GPS đã được trình bày trong Hà Minh Hòa và nnk., (2005)

Việc thực nghiệm xác định tham số TEC từ dữ liệu đo GPS trong khuôn khổ hợp tác "Nghiên cứu vật lý địa cầu trong hệ thống Mặt Trời-Trái Đất" giữa Viện Vật lý Địa cầu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và một số cơ quan khoa học của Cộng hòa Pháp đã được triển khai từ năm 2005 trở lại đây Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy sự biến thiên của TEC theo ngày đêm, theo mùa rất rõ rệt tại

vị trí 3 trạm đo ở Hà Nội, Huế và Thành phố Hồ Chí Minh (Lê Huy Minh và nnk, 2006) Số lượng 3 trạm đo với sự phân bố thưa như vậy không thể phục vụ cho việc xác định TEC và theo dõi trạng thái tầng điện ly trên phạm vi cả nước được

Nguyễn Ngọc Lâu và Hồ Nguyễn Hoàng Vũ (2007) ở Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã có những nghiên cứu đầu tiên về tác động của độ trễ điện ly vào việc sử dụng các máy thu 1 tần số Nguyễn Ngọc Lâu và nnk (2007) cũng đã khảo sát độ trễ điện ly từ trị đo pha GPS tại một số trạm đo ở thành phố Hồ

Chí Minh (Hình 1.3)

Hình 1.3 Độ trễ điện ly phương thẳng đứng của các vệ tinh vào ngày 7-4-2007 tại TP

HCM (Nguyễn Ngọc Lâu và nnk, 2007)

không, ảnh vệ tinh MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), phần lớn được triển khai phục vụ cho công tác dự báo khí tượng thủy văn (Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia):

- Có 6 trạm ra đa thời tiết gồm 8 ra đa phục vụ phát hiện, theo dõi bão và các hiện tượng thời tiết nguy hiểm khác, trong đó có 03 ra đa thời tiết TRS-2730 do Pháp chế tạo đặt tại Phù Liễn (Hải Phòng), Vinh (Nghệ An) và Việt Trì (Phú Thọ), 03 ra đa thời tiết DOPPLER do Hoa Kỳ chế tạo đặt tại Tam Kỳ (Quảng Nam), Nha Trang (Khánh Hoà) và Nhà Bè (Tp Hồ Chí Minh), 02 ra đa thời tiết MRL-5 do Liên Xô (cũ) chế tạo, đặt tại Phủ Liễn (Hải Phòng) và Vinh (Nghệ An)

- 5 trạm vô tuyến thám không đang hoạt động được đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng, Tp

Hồ Chí Minh, Vinh và Điện Biên Theo quy hoạch mạng lưới quan trắc Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt, từ nay đến 2010 sẽ có thêm 3 trạm đặt tại đảo Bạch Long

Vĩ, Nha Trang và Cà Mau

Các yếu tố quan trắc trên cao gồm: khí áp, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió từ mặt đất lên đến độ cao 30 km.Với bán kính đo phủ 250-300km trên đất liền

và 300-500km trên biển của mỗi một trạm, hệ thống 8 trạm vô tuyến thám không trong tương lai sẽ đáp ứng các yêu cầu cơ bản đảm bảo cung cấp các số liệu khí tượng trên không lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam

- Dương Văn Khảm và Chu Minh Thu (2007) đã tính được độ ẩm tương đối của không khí dựa trên PWV xác định từ các kênh phổ vùng sóng gần hồng ngoại của sensơ MODIS đặt trên các vệ tinh quỹ đạo cực Terra và Aqua của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa kỳ NASA (National Aeronautics and Space Administration) Viện Nghiên cứu Địa chính trước đây (nay là Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ) đã kết hợp với Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng phần mềm xử lý số liệu GPS độ chính xác cao GUST 1.3 (Nguyễn Ngọc Lâu, 2005) cũng đã bước đầu thử nghiệm đánh giá lượng hơi nước tích tụ PWV trên một số điểm đo lưới GPS địa động lực Lai Châu - Điện Biên (Hà Minh Hòa và Nguyễn Ngọc Lâu, 2005) Kết quả thử nghiệm tính toán xác định PWV tại điểm DON1 đạt

độ chính xác cao (vài mm) Điều này khẳng định khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong việc xác định PWV tại Việt Nam

mật độ điện tử tổng cộng TEC, lượng hơi nước tích tụ PWV ở nước ta cũng vừa mới được triển khai cách đây không lâu, ở quy mô nhỏ và thưa, chưa đáp ứng được nhu cầu xác định TEC, PWV trên phạm vi cả nước Vì thế trong phần tiếp theo sẽ trình bày nội dung một số các phương pháp đo trực tiếp, phương pháp sử dụng các công cụ viễn thám, đặc biệt nhấn mạnh tới phương pháp và thuật toán xử lý số liệu GPS để xác định tổng lượng điện tử TEC tầng điện ly và lượng hơi nước tích tụ PWV tầng đối lưu Trên cơ sở đó sẽ đề xuất quy trình ứng dụng xử lý số liệu đo GPS để xác định TEC, PWV trên các điểm đo GPS độ chính xác cao ở Việt Nam nhằm trợ giúp cho công tác nghiên cứu khí quyển, dự báo thời tiết, giảm nhẹ thiên tai, tăng cường an ninh quốc phòng trên lãnh thổ nước ta hiện nay

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU ĐO

TRỰC TIẾP VÀ VIỄN THÁM

2.1 Các phương pháp xác định trực tiếp TEC, PWV

2.1.1 Xác định TEC từ nguồn số liệu đo trực tiếp

Để xác định các tham số tầng điện ly (mà TEC chỉ là một trong các tham số đó) người ta nghiên cứu sự biến đổi của các sóng điện từ khi truyền qua tầng điện

ly Ảnh hưởng của tầng điện ly đến sự truyền sóng sẽ là các số liệu đặc trưng cho tầng điện ly Các số liệu này được sử dụng để xây dựng một số mô hình điện ly thực nghiệm phổ biến trên thế giới như IRI, CIT,

Mô hình tầng điện ly chuẩn quốc tế IRI (International Reference Ionosphere)

Như đã giới thiệu ở phần 1.2 mô hình IRI là kết quả của một dự án quốc tế

được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Không gian COSPAR (COmmittee on SPAce Research) và Hợp tác Quốc tế về Khoa học Vô tuyến URSI (International Union of Radio Science) Trong khuôn khổ dự án này các nhà khoa học đã tạo ra một mô hình chuẩn từ các số liệu thực nghiệm cho tầng điện ly Mô hình IRI xác định giá trị mật độ, nhiệt độ điện tử, thành phần và nhiệt độ ion, TEC,… trong khoảng độ cao từ 50km tới 2000km Nguồn số liệu đo tầng điện ly có được từ mạng lưới các trạm thăm dò điện ly trên thế giới, máy thu rada, các vệ tinh và tên lửa thăm dò,…

Mô hình IRI đã phát triển và liên tục được cải tiến (IRI-90, IRI-95, IRI-2000, IRI-2007) nhằm mô tả sự thay đổi của mật độ điện tử theo độ cao với từng điều kiện địa vật lý một cách tốt nhất có thể, nhờ sử dụng nguồn số liệu quan trắc hạn dài

Hình 2.1 cho thấy sự phù hợp tương đối tốt giữa kết quả xác định VTEC

(TEC phương thẳng đứng) từ mô hình IRI và từ GPS: có tồn tại độ lệch khoảng vài

và từ mô hình IRI-90 tại một số điểm ở Úc

Hình 2.1 VTEC (giá trị TEC phương thẳng đứng) theo đơn vị TECU (1016 electron/m2)

xác định từ số liệu GPS (đường đậm) và từ mô hình IRI-90 (đường đứt đoạn)

Tại Darwin, ngày 21/4/2009 Tại Towsville, ngày 21/4/2009

Tại Alice Spring, ngày 21/4/2009 Tại Ceduna, ngày 21/4/2009

Tại Hobart, ngày 21/4/2009 Tại đảo Macquarie, ngày 21/4/2009

: GPS : IRI

Giờ quốc tế UT (h) Giờ quốc tế UT (h)

Giờ quốc tế UT (h)

Giờ quốc tế UT (h)

Giờ quốc tế UT (h)

Giờ quốc tế UT (h)

Mô hình tầng điện ly theo độ cao có trợ giúp của máy tính điện tử CIT (Computer-aided Ionosphere Tomography)

Mật độ điện tử của tầng điện ly, được tính bằng tích phân đường của hàm mật độ điện tử tổng cộng trên một quãng đường lan truyền của một sóng điện từ trong tầng điện ly, không truyền tải bất kỳ một thông tin nào về cấu trúc bên trong của tầng này Trong những năm gần đây, người ta đã phát triển phương pháp CIT để nghiên cứu sự phân bố mật độ điện tử theo chiều cao của tầng điện ly các vùng vĩ

độ thấp và trung bình Một số các thuật toán của phương pháp CIT đã được đề xuất nhưng vẫn còn có những hạn chế riêng Thuật toán khai triển đơn trị tổng quát GSVD (Generalized Singular Value Decomposition) (tính ma trận đảo tổng quát theo Tikhonov) đã được sử dụng để xác định giá trị các phân bố của TEC theo đường truyền sóng điện từ qua tầng điện ly Kết quả cấu trúc tầng điện ly thu được trùng khớp tốt với mô hình điện ly chuẩn IRI và các số liệu đo trực tiếp của TEC (Bhuyan et al., 2002)

Như đã trình bày ở trên từ các số liệu đo trực tiếp có thể xác định được tương đối chính xác cấu trúc và các tham số đặc trưng của tầng điện ly thể hiện qua các

mô hình thực nghiệm Mô hình điện ly chuẩn IRI với nhiều phiên bản được cập nhật theo từng quãng thời gian IRI-90, -95, -2001, -2007 là mô hình phù hợp với nghiên cứu vật lý khí quyển quy mô toàn cầu Mô hình tầng điện ly theo độ cao có sự trợ giúp của máy tính điện tử CIT là mô hình thích hợp cho từng khu vực và từng địa phương Một mô hình điện ly thực nghiệm là mô hình Klobuchar xác định từ lịch vệ

tinh phát tín GPS sẽ được trình bày chi tiết ở CHƯƠNG 3 Mô hình này xác định

được khoảng 50% độ trễ điện ly đối với các trị đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu GPS

2.1.2 Xác định PWV từ nguồn số liệu bóng thám không vô tuyến

quyển đã được kể đến ở phần 1.2 sau đây sẽ trình bày chi tiết phương pháp sử dụng bóng thám không vô tuyến

Các thiết bị thám không được đưa vào khí quyển thông qua bóng thám không khí tượng Thiết bị thám không bao gồm các đầu cảm ứng có thể đo được áp suất khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm Trong quá trình di chuyển từ thấp lên mực khí quyển cao hơn, các đầu đo thu nhận thông tin và gửi về trạm tiếp nhận Độ cao tối đa mà các bóng thám không có thể đạt tới là khoảng 30km Hệ thống điểu khiển được sử dụng để định vị vị trí của bóng thám không trong suốt thời gian bay Tốc độ và hướng gió được xác định thông qua thông tin về vị trí của thiết bị do các thiết bị mặt đất quan trắc Thiết bị thám không còn có thể phản hồi lại tín hiệu nhận được từ hệ thống điều khiển tới các thiết bị mặt đất

Hình 2.2 Bóng thám không Hình 2.3 Thiết bị thám không

Hình 2.4 Pin chưa lắp Hình 2.5 Pin sau khi đã lắp

Các thiết bị chứa trong thiết bị thám không bao gồm: pin (Hình 2.4, 2.5), các đầu đo nhiệt độ, độ ẩm (Hình 2.6) và áp suất (Hình 2.7, 2.8)

Trước mỗi lần chuẩn bị thả bóng, thiết bị thám không được cung cấp một nguồn điện ắc quy nước khoảng 18 vol, ắc quy này phải được ngâm dung dịch 3 phút trước khi kết nối với các thiết bị

Hình 2.6 Đầu đo nhiệt,ẩm Hình 2.7 Bản mạch Hình 2.8 Thiết bị đo áp suất

Hình 2.9 Ăngten nhận thu tín hiệu Hình 2.10 Hệ thống thiết bị mặt đất xử lý

tín hiệu

Lượng hơi nước tích tụ (PWV) được định nghĩa là cột nước lỏng ngưng kết

từ tất cả lượng hơi nước có trong cột khí quyển thẳng đứng từ mặt đất đến đỉnh khí quyển

Lượng hơi nước tích tụ PWV và lượng hơi nước tổng cộng thẳng đứng IWV (Integrated Water Vapor) được định nghĩa như sau:

ρ

tương ứng của hơi nước theo phương trình trạng thái khí lý tưởng Do vậy, mật độ hơi nước có thể tính như sau:

T R

mực thẳng đứng IWV được tính bằng việc lấy tổng của mật độ hơi nước trung bình

khác nhau Việc so sánh được thực hiện ở từng mực thẳng đứng khác nhau cho thấy

độ lệch PWV thu được từ các đầu đo NWS-VIZ, Vaisala RS90, SW-CM, SW-CH nằm trong khoảng một vài mm trong thời gian năm 2004 trên một số trạm thử nghiệm của NASA

Masaaki Nishimura et al (2002) đã so sánh lượng hơi nước tích tụ được tính

từ GPS và các trạm thám không vô tuyến Để so sánh, tác giả đã sử dụng số liệu của

14 trạm quan trắc thám không vô tuyến của Cục Khí tượng Nhật Bản (JMA) và sử dụng số liệu GPS của 52 trạm GEONET gần với các trạm thám không vô tuyến

Khoảng cách theo phương ngang và theo phương thẳng đứng giữa trạm GPS và trạm thám không vô tuyến được giới hạn tương ứng là 60km và 100m Số liệu PWV

từ GPS và từ thám không vô tuyến được quan trắc tại thời điểm 00UTC và 12UTC trong năm 2000 Độ lệch PWV trung bình giữa GPS và thám không vô tuyến cũng nằm trong khoảng một vài mm

là một loại thiết bị đo trực tiếp PWV khu vực nghiên cứu Bức xạ kế hơi nước thực chất là một loại bức xạ kế siêu tần (microwave radiometer) ngoài PWV có thể đo được trọng lượng hay thể tích nước mưa trong mây, trọng lượng nước mưa trong

Dễ dàng thấy rằng các phương pháp đo đạc trực tiếp lượng hơi nước tích tụ PWV như sử dụng bóng thám không vô tuyến, nêu trên là tương đối đắt tiền về trang thiết bị, số liệu đo được bị hạn chế về không gian: giới hạn về độ cao khoảng

30 km, giới hạn về phương nằm ngang do mật độ thưa của các trạm vô tuyến thám không, và hạn chế về thời gian quan trắc là quá dài để có thể quan trắc được sự thay đổi nhanh của hơi nước Do vậy trên thực tế người ta đã dần dần tìm kiếm các phương pháp mới (sử dụng tư liệu viễn thám, dữ liệu đo GPS độ chính xác cao, )

để bổ sung cho các nguồn số liệu xác định PWV nêu trên

2.2 Phương pháp xác định PWV bằng viễn thám

cho phép việc sử dụng ảnh vệ tinh để tính tổng cột hơi nước và mặt cắt hơi nước từ các sensơ sóng hồng ngoại và microwave Các sensơ sóng hồng ngoại (như MODIS, HIRS) cung cấp thông tin về tổng cột hơi nước và mặt cắt hơi nước ở một

số mực thẳng đứng bao phủ không gian rộng nhưng thưa thớt theo phương thẳng đứng, còn các sensơ vi sóng (microwave như AMSU-B, SSM/I) cung cấp thông tin tổng cột hơi nước bao phủ vùng đại dương rộng lớn Sau đây là tóm tắt các phương pháp xác định PWV từ sensơ một số dải sóng điện từ khác nhau: sóng gần hồng ngoại, sóng hồng ngoại, vi sóng (microwave)

2.2.1 Xác định PWV từ sensơ sóng gần hồng ngoại

sử dụng các kênh phổ vùng sóng gần hồng ngoại và vùng sóng hồng ngoại Kaufman and Gao (1992) đưa ra phương pháp xác định lượng hơi nước tích tụ PWV từ các kênh phổ vùng sóng gần hồng ngoại của sensơ MODIS đặt trên các vệ tinh quỹ đạo cực Terra và Aqua của NASA Năm kênh phổ sóng gần hồng ngoại của MODIS được sử dụng để tính toán lượng hơi nước tích tụ Vị trí và độ rộng các

kênh phổ gần hồng ngoại này được cho trong Bảng 2.1 Các kênh 0.865 và 1.24µm

là các kênh “cửa số khí quyển” (các kênh này không bị hấp thụ bởi các khí) Các kênh 0.935, 0.940 và 0.905µm là các kênh hấp thụ hơi nước

Bảng 2.1 5 kênh phổ gần hồng ngoại của MODIS được

sử dụng trong tính toán lượng hơi nước tích

so sánh bức xạ mặt trời bị phản xạ trong vùng kênh phổ hấp thụ và bức xạ mặt trời

bị phản xạ ở vùng kênh phổ không hấp thụ gần nó

Bức xạ nhận được của sensơ vệ tinh được tính như sau:

) ( )

( ).

( ).

( )

(λ Sun λ λ ρ λ Path λ

mặt trời trên bầu khí quyển, T(λ) là lượng truyền bức xạ tổng cộng, bằng lượng truyền bức xạ từ mặt trời đến bề mặt trái đất và từ bề mặt trái đất đến sensơ, ρ(λ) là

hệ số phản xạ hai chiều, LPath(λ) là phần năng lượng tán xạ Phương trình (2.5) được đơn giản hoá bằng giả thiết rằng các photon phản xạ từ bề mặt mà lớn hơn 1 thì được loại bỏ Quá trình hồi tiếp (feedback) bao gồm quá trình tán xạ trở lại từ bề mặt đến khí quyển, tuy nhiên, hiệu ứng này thường là nhỏ vì độ dày quang học của xon khí (aerosol) thuộc loại nhỏ trong vùng gần hồng ngoại Thành phần thứ nhất

định nghĩa là hệ số phản xạ biểu kiến ρ*(λ)

T(λ) cho thông tin về tổng lượng hơi nước khi kết hợp các phần mặt trời - bề mặt – sensơ Gần bước sóng 1 µm, tán xạ Rayleigh không đáng kể và thành phần

LPath(λ) chủ yếu là tán xạ bởi xon khí LPath(λ) trong vùng 1 µm thường là vài phần trăm so với phản xạ trực tiếp Do hầu hết xon khí và hơi nước tồn tại ở dưới 2 km nên tán xạ đơn sắc và tán xạ đa sắc bởi các xon khí cũng được coi là sự hấp thụ của

xác định khi nồng độ xon khí thấp Giả thiết này cho phép tính tổng cột hơi nước từ

số liệu vệ tinh mà không cần mô phỏng ảnh hưởng của tán xạ đa sắc và tán xạ đơn sắc

Các giá trị phản xạ ở một bước sóng xác định sẽ khác nhau chút ít đối với các loại bề mặt khác nhau Do vậy, chúng ta không thể tính được hệ số truyền bức

xạ của hơi nước từ các kênh phổ hấp thụ riêng rẽ Tuy nhiên, nếu hệ số phản xạ bề mặt là không đổi thì tỷ lệ 2-kênh của một kênh phổ hấp thụ có một “kênh cửa số” (window channel) sẽ cho ta hệ số truyền bức xạ hơi nước của kênh phổ hấp thụ này

Ví dụ, hệ số truyền bức xạ của kênh phổ 0.94 µm là:

(2.7) trong đó C1 là bằng 0.8 và C2 là 0.2

Cả hai công nghệ tỷ lệ 2- kênh và 3- kênh được sử dụng để tính hệ số truyển bức xạ khí quyển của các kênh phổ hấp thụ và tính tổng lượng cột hơi nước ở vùng đất liền quang mây và mở rộng ra vùng biển với ánh sáng phản chiếu Tỷ lệ 2- kênh

và 3- kênh được tính từ bức xạ của 5 kênh phổ của MODIS với trung tâm là 0.865, 0.905, 0.936, 0.94, và 1.24 µm Tỷ lệ các kênh này xấp xỉ bằng hệ số truyền bức xạ hơi nước trong khí quyển Các bảng tham chiếu tỷ lệ 2-kênh và 3-kênh và tổng lượng hơi nước được xây dựng bằng cách sử dụng chương trình truyền bức xạ

(radiative transfer), như LOWTRAN7 (Kneizys et al., 1988) Hình 2.11 biểu diễn

các tỷ lệ 2- kênh (kênh hấp thụ/ kênh “cửa sổ”) như hàm của lượng hơi nước theo cột

Hơi nước trong khí quyển có hệ số hấp thụ rất khác nhau đối với các kênh phổ MODIS với trung tâm gần 0.935, 0.940 và 0.905µm do ba kênh này có mức độ nhạy cảm với hơi nước khác nhau ở cùng một điều kiện khí quyển Kênh hấp thụ mạnh 0.935µm hầu hết nhạy dưới điều kiện khô, trong khi kênh hấp thụ yếu 0.905µm thì hầu hết nhạy với điều kiện ẩm Dưới một điều kiện khí quyển nhất định, giá trị hơi nước từ 3 kênh này là khác nhau Lượng hơi nước tích tụ được tính như sau:

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của tỷ số phản xạ, được định nghĩa là tỷ số

giữa hệ số phản xạ trong kênh phổ hấp thụ hơi nước và

độ chói của kênh không hấp thụ quanh bước sóng 0.865µm, vào lượng hơi nước có trong cột thẳng đứng (Kaufman và Gao, 1992)

2.2.2 Xác định PWV từ sensơ sóng hồng ngoại bằng công nghệ split-window

McMillin and Crosby, 1984) được sử dụng để tính lượng hơi nước ngưng tụ từ 2 kênh phổ sóng hồng ngoại của một “cửa sổ” khí quyển gần 11 và 12µm của các vệ tinh địa tĩnh Hai kênh phổ này cho nhiệt độ bức xạ khác nhau đối với cùng một đối tượng quan trắc do mức độ hấp thụ hơi nước khác nhau Kênh 12 µm hấp thụ hơi nước nhiều hơn nên thường cho nhiệt độ bức xạ nhỏ hơn kênh 11 µm ở những vùng khí quyển chứa nhiều hơi nước Do vậy, tỉ số nhiệt độ bức xạ của các kênh split-window này cho biết hàm lượng hơi nước có trong khí quyển

Giả thiết hàm Planck là hàm tuyến tính địa phương trong cửa sổ hồng ngoại, phương trình truyền bức xạ ứng với hai kênh phổ được cho như sau:

Do đó:

A B

A B

T T

T T

1

τ

τ

bức xạ đo được từ vệ tinh tương ứng với 2 kênh phổ

Mặt khác, sự khác biệt của độ truyền bức xạ là do sự khác biệt của hệ số hấp thụ của hơi nước với 2 kênh phổ Ta có:

βτ

τ

cos)(

cos

2

1 1

A B

T T

T T PWV

Phương pháp hồi quy vật lý thường được sử dụng để tính mặt cắt nhiệt độ và

độ ẩm từ nhiều kênh phổ của một sensor vệ tinh quan trắc khí quyển Tổng lượng hơi nước tích tụ có được bằng cách lấy tích phân mặt cắt độ ẩm trong toàn bộ cột khí quyển Sau đây là phương pháp hồi quy vật lý để tính lượng hơi nước tích tụ từ sensơ sóng hồng ngoại của MODIS

Trước tiên, ta cần xác định một mặt cắt ẩm ban đầu (first-guess) Mặt cắt ẩm ban đầu có thể được xác định thông qua quan hệ thống kê giữa số liệu bức xạ và mặt cắt khí quyển (ITPP, Smith et al., 1993)

bằng tổng bức xạ từ bề mặt trái đất và tất cả các mực trong khí quyển:

[ , ( )] ( , ) )

(

1

i j N

i

i j

Tỷ số xáo trộn hơi nước tại mực áp suất i được tính:

=

+

) (

) ( )

( )

i

n

ji

L L q

và Lj(n) là độ chói bức xạ tính toán tại bước thứ n

Mặt cắt tỷ số xáo trộn hơi nước được điều chỉnh sao cho độ chói bức xạ tính

hành lấy tổng tích phân mặt cắt ẩm trong N mực để đạt được tổng lượng hơi nước

có trong cột khí quyển có thiết diện 1 đơn vị hay chính là lượng hơi nước tích tụ trong khí quyển

2.2.4 Xác định PWV từ sensơ sóng micro wave

Miao et al (2001) trình bày thuật toán nhằm tính toán lượng hơi nước tích tụ đối với sensơ AMSU-B Phương pháp này dựa trên độ nhạy cảm khác nhau của các kênh phổ đối với sự hấp thụ hơi nước và giả thiết tần số không phụ thuộc vào độ phát xạ của bề mặt

Logarit của tỷ số này tỷ lệ tuyến tính với lượng hơi nước tích tụ với trọng số cos θ, trong đó θ là góc nhìn của sensơ từ điểm thấp nhất:

sự khác biệt nhiệt độ mức độ sáng giữa các kênh i và j AMSU-B có các kênh từ 16 đến 20 được sử dụng để ước lượng hơi nước Các kênh 18, 19 và 20 là các kênh hấp thụ hơi nước gần tần số 183 GHz (±1, ±3, ±7) Sử dụng 3 kênh này có thể ước lượng PWV có giá trị nhỏ hơn 1.5mm Đối với các giá trị PWV cao hơn, kênh 183

± 1 GHz bị bão hoà Do đó, các đo đạc từ các kênh có độ hấp thụ hơi nước kém hơn được đưa vào sử dụng PWV có giá trị lên tới 6 mm có thể được đo bằng cách sử dụng kênh 150 GHz (Miao et al., 2001)

chiếu xạ điện ly có sự trợ giúp của máy tính điện tử CIT là mô hình thích hợp cho từng địa phương, khu vực và quy mô toàn cầu Ngoại trừ phương pháp xác định PWV bằng bóng thám không vô tuyến là tương đối đắt tiền và bị hạn chế về không gian và thời gian của các trị đo, các phương pháp sử dụng tư liệu ảnh viễn thám MODIS xác định PWV với độ chính xác tương đối cao, đáp ứng tốt các yêu cầu về

dự báo khí tượng thủy văn ở nước ta Để bổ sung cho các số liệu về TEC, PWV nêu trên, giải pháp sử dụng một mạng lưới đa mục đích các máy thu GPS 2 tần số với mật độ thích hợp, xác định tham số TEC như là một sản phẩm kèm theo của quá trình xử lý số liệu đo GPS độ chính xác cao được trình bày ở phần tiếp theo sẽ hỗ trợ rất tốt cho nghiên cứu vật lý khí quyển, phục vụ công tác dự báo khí tượng thủy văn và an ninh quốc phòng và cũng là phương án phù hợp với điều kiện đầu tư phát triển kinh tế ở nước ta hiện nay

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU GPS

3.1 Phương pháp và thuật toán xác định TEC

Để xử lý số liệu đo GPS người ta cần phải xác định được ảnh hưởng của tầng điện ly tới đường truyền của sóng tần số L1, L2 từ vệ tinh tới máy thu Số liệu đo GPS cơ bản bao gồm các tham số lịch vệ tinh phát tín, các tham số tầng điện ly dự báo, các trị đo pha L1, L2, các trị đo tựa khoảng cách code C/A, P, TEC có thể được xác định từ độ trễ điện ly của các trị đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu Từ các tham số tầng điện ly (mô hình lớp đơn theo Klobuchar) có thể xác định được khoảng 50% giá trị độ trễ điện ly Để có thể xác định TEC chính xác hơn người ta phải sử dụng phương pháp kết hợp các loại trị đo GPS cùng với các thuật toán thích hợp

liệu tiếng Việt (Hà Minh Hòa và nnk 2005, ) cũng như của nước ngoài (Leick 2004, ) Ở đây sẽ trình bày về nguyên lý chung, phương trình trị đo, các phương pháp kết hợp chúng và một số thuật toán phục vụ xác định TEC, PWV

3.1.1 Nguyên lý xác định TEC tầng điện ly

Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm cách bề mặt Quả đất khoảng từ 70 – 1000

km Sự chậm thời gian (thời trễ) truyền tín hiệu từ vệ tinh trong tầng điện ly chủ yếu

là do sự có mặt của các điện tử tự do Sự chậm thời gian nêu trên tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số sóng mang Theo Medvedev và Baranov (1992) trong phương pháp đo GPS tương đối, hiệu các số cải chính do thời trễ ở tầng điện ly đối với các trị đo GPS từ hai điểm đầu của baseline phụ thuộc vào trạng thái của tầng điện ly trong khoảng thời gian thu tín hiệu vệ tinh và khoảng cách giữa hai điểm đó

quyển đã phát hiện được rằng ở các vùng cực của Quả đất các lớp của tầng điện ly thường bị nhiễu bất ngờ chu kỳ ngắn do sự hoạt động của bão mặt trời và địa từ Sự

ảnh hưởng lớn của tầng điện ly đến vectơ baseline có chiều dài lớn được gây ra chủ yếu do tín hiệu vệ tinh đi qua các lớp của tầng điện ly với các tham số trạng thái khác nhau ở hai điểm đầu của baseline (Medvedev và Baranov, 1992) Các kết quả

đo vật lý các tham số trạng thái của tầng điện ly đã chỉ ra rằng ở các vĩ độ trung bình trong khoảng thời gian một vài giây sự biến thiên của các số cải chính tầng điện ly không lớn hơn 1cm, trong khi đó ở vùng cực Quả đất biến thiên của đại lượng này đạt đến 20 cm Giá trị tuyệt đối của số cải chính này phụ thuộc vào mức

độ nhiễu loạn của tầng điện ly dao động từ 2,5 m đến 10m Ở vĩ độ trung bình, sự

tinh vào thời gian ban ngày là 100 TECU, vào ban đêm là 10 TECU

Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng chiều dài baseline 3 km ở vĩ độ trung bình là giới hạn thực tế của việc sử dụng máy thu một tần số và không cải chính do ảnh hưởng của tầng điện ly (Medvedev và Baranov, 1992)

khoảng năm 1985 các nhà trắc địa đòi hỏi phải sử dụng máy thu hai tần số trong đo đạc độ chính xác cao

(pha, mã, lịch vệ tinh, ) được điều biến Theo Hofmann-Wellenhof et al (1997), chỉ số chiết quang của khí quyển đối với nhóm tín hiệu được xác định theo công thức:

,

df

dn f n

d dn n

3

3 2

C f C

ở đây các hệ số C2,C3,C4, được xác định dựa trên mật độ điện tử tự do N edọc theo đường truyền sóng

Chúng ta sẽ chỉ sử dụng hai thành phần đầu tiên ở vế phải của biểu thức trên, tức là:

3 , 40

).

1 (

2 2

2

2 2

2

TEC f

d N f

d f

C d

d f

C d

d n d

ρρ

ρρ

dọc theo đường truyền tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu Cũng từ định nghĩa trên ta

thấy TEC có đơn vị đo là số electron/m 2 Trong thực tế người ta lấy TECU làm đơn vị đo cho TEC (xem phần 1.2)

3.1.2 Mô hình lớp đơn tầng điện ly theo Klobuchar

Lịch vệ tinh phát tín (broadcast navigation file) thu được từ số liệu đo GPS

có bao gồm các tham số dự báo trước của mô hình lớp đơn tầng điện ly Klobuchar

Mô hình lớp đơn tầng điện ly (Hình 3.1) giả thiết rằng tất cả các điện tử của tầng

điện ly tập trung trong một lớp mỏng bao quanh Trái đất ("mặt điện ly") có độ cao khoảng 400 km Trị hiệu chỉnh tính theo mô hình này có thể giảm khoảng 50% ảnh hưởng của tầng điện ly Các bước tính toán trị hiệu chỉnh nghiêng tầng điện ly (độ trễ do TEC dọc theo đường truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu GPS) cho trị đo tựa khoảng cách code C/A như sau (Leick, 2004):

Hình 3.1. Mô hình lớp đơn tầng điện ly

Gọi điểm xuyên IP là giao của khoảng cách điểm đo - vệ tinh với "mặt điện

giữa điểm đo và điểm IP, t thời gian tại điểm IP (giờ địa phương), tham số P là chu

[m] Từ các số liệu ban đầu:

- thời điểm đo theo thời gian GPS: T (số giây trong ngày),

- vận tốc ánh sáng: c = 299792458 m/giây,

ta có thể tính được các đại lượng sau:

- khoảng cách điểm - vệ tinh:

d v d

v d

ϕ

ε arcsin cos d *cos d*(X v X d) cos d *sin d*(Y v Y d) sin d*(Z v Z d)

- góc phương vị vệ tinh [rad]:

* sin

* sin ) (

* cos

* sin ) (

* cos

) (

* sin ) (

* cos

d v d d

d v d d

d v d

d v d d

v d

Y Y X

X Z

Z

X X Y

Y arctg

λϕ

λϕ

ϕ

λλ

=

F

- góc ψ [π]:

022 0 11

sinπϕ

αψ