Câu 1 : Bức xạ và các thành phần bức xạ mặt trời Bức xạ điện từ là cơ sở nền tảng của công nghệ viễn thám. Tất cả mọi thứ phát ra bức xạ điện từ. Cụ thể hơn, tất cả các đối tượng với một nhiệt độ trên không độ tuyệt đối đều phát ra bức xạ. Bởi vì bức xạ có thể vận chuyển năng lượng ngay cả khi không một phương tiện, đó là cách duy nhất mà trái đất tương tác với phần còn lại của vũ trụ. Dụng cụ viễn thám trên vệ tinh tìm cách đo chính xác năng lượng điện từ phát ra từ trái đất và bầu khí quyển. Sự hiểu biết về khả năng và hạn chế của công nghệ viễn thám đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc hơn về bức xạ điện từ • Các nguồn năng lượng chính của trái đất là từ mặt trời. • Năng lượng mặt trời chuyển qua trái đất bằng sóng điện từ bức xạ. • Trong chân không, sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng (300.000 km s). • Quang phổ điện liên tục phân biệt các loại khác nhau của sóng dựa trên bước sóng và tần số. Thành phần bức xạ: Các quá trình của bức xạ khí quyển, bao gồm phát xạ, truyền xạ, phản xạ, tán xạ và hấp thụ Đối tượng của bức xạ khí quyển là mối quan tâm với năng lượng truyền trong không khí bởi các photon, hoặc tương đương bởi sóng điện từ Các photon được chia thành 2 loại: • Photon mặt trời (Shortwave) 0.1 4.0 µm • Photon nhiệt (Longwave) 4.0 – 100 µm Các định luật cơ bản : • 1. Định luật Planck – Một vật thể màu đen (một cấu trúc lý thuyết) được định nghĩa như một vật thể hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ đến nó – Hệ mặt trời và đấtkhí quyển là các vật thể đen tuyệt đối, nhưng chúng ta vẫn có thể áp dụng những định luật bức xạ của vật đen • 2. Định luật StefanBoltzmann – Tốc độ mà đối tượng tỏa nhiệt là tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn của nhiệt độ của nó σ=5,6697108 Wm2K4 – Cường độ của bức xạ phát ra từ năng lượng mặt trời quang quyển (nhiệt độ 5800 K) gấp nhiều lần từ bề mặt trái đất (15oC nhiệt độ hoặc 288 K) • 3. Định luật Wien’s – Khi nhiệt độ của vật thể tăng lên, bước sóng của bức xạ cường độ cao nhất phát ra giảm – Bước sóng của cường độ tối đa (micron) = 3000 T (bước sóng trong micron, một phần triệu của một mét, nhiệt độ ở thang độ K)
Trang 1Đề cương khí tượng vệ tinhCâu 1 : Bức xạ và các thành phần bức xạ mặt trời
Bức xạ điện từ là cơ sở nền tảng của công nghệ viễn thám Tất cả mọi thứ phát ra bức xạ điện từ Cụ thể hơn, tất cả các đối tượng với một nhiệt độ trên không độ tuyệt đối đều phát ra bức xạ Bởi
vì bức xạ có thể vận chuyển năng lượng ngay cả khi không một phương tiện, đó là cách duy nhất mà trái đất tương tác với phần còn lại của vũ trụ Dụng cụ viễn thám trên vệ tinh tìm cách đo chính xác năng lượng điện từ phát ra từ trái đất và bầu khí quyển Sự hiểu biết về khả năng và hạn chế của công nghệ viễn thám đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc hơn về bức xạ điện từ
• Các nguồn năng lượng chính của trái đất là từ mặt trời.
• Năng lượng mặt trời chuyển qua trái đất bằng sóng điện từ bức xạ.
• Trong chân không, sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng (300.000 km / s).
• Quang phổ điện liên tục phân biệt các loại khác nhau của sóng dựa trên bước sóng và tần số
Thành phần bức xạ: Các quá trình của bức xạ khí quyển, bao gồmphát xạ, truyền xạ, phản xạ, tán xạ và hấp thu
Đối tượng của bức xạ khí quyển là mối quan tâm với năng lượngtruyền trong không khí bởi các photon, hoặc tương đương bởi sóngđiện từ
Các photon được chia thành 2 loại:
• Photon mặt trời (Shortwave) 0.1 - 4.0 µm
• Photon nhiệt (Longwave) 4.0 – 100 µm
Các định luật cơ bản :
• 1 Định luật Planck
– Một vật thể màu đen (một cấu trúc lý thuyết) được địnhnghĩa như một vật thể hấp thu hoàn toàn tất cả các bức xạ đến nó – Hệ mặt trời và đất-khí quyển là các vật thể đen tuyệt đối,nhưng chúng ta vẫn có thể áp dung những định luật bức xạ của vậtđen
• 2 Định luật Stefan-Boltzmann
Trang 2– Tốc độ mà đối tượng tỏa nhiệt là tỷ lệ thuận với lũy thừabốn của nhiệt độ của nó
Câu 2:phát xạ
Phát xạ
• Sự phát xạ là bức xạ điện-từ từ một đối tượng/sự vật phát ra
do chuyển động ngẫu nhiên và sự va chạm của phân tử vật chất ở bên trong đối tượng
• Một đối tượng phát ra thông lượng bức xạ phổ đơn lẻ(duy nhất) phụ thuộc vào nhiệt độ và khả năng phát xạ của đối tượng ấy Bức xạ này được gọi là bức xạ nhiệt, vì nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ
• Bức xạ nhiệt này có thể biểu diễn bằng lý thuyết vật đen Là một vật chất hấp thụ toàn bộ năng lượng điện từ rọi tới nó mà không phản xạ đi cũng như không truyền đi bất cứ năng lượng nào
• định luật Stefan-Boltzmann: cường độ bức xạt hay đổi theo
nhiệt độc của đối tượng phát xạ
– Trong đó W là tổng độchói bức xạphát ra, đo bằng Wm -2, σ= 5,6697.10 -8 Wm-2K-4 là hằng số Stefan-Boltzmann
• Với một đối tượng phát xạ bất kỳ thì cường độ bức xạ thay đổi như một hàm của bước sóng và nhiệt độ
Trang 3• Sự phân bố phổ của năng lượng đó cũng thay đổi theo bước sóng và nhiệt độ
• Quan hệ giữa cường độ đỉnh phổ và nhiệt độ vật đen được
mô tả bằng định luật dịch chuyển của Wien
Khả năng phát xạ - Định luật Kirchoff
– Tỷ số giữa bức xạ phát ra và bức xạ hấp thụ là như nhau đối với tất cả các vật đen ở cùng một nhiệt độ và cùng một bước sóng - Tỷ số này biểu thị khả năng phát xạ của một vật đen
lý tưởng
– Biến động theo bước sóng: đối với nước thì khả năng phát xạ giảm khi bước sóng giảm
• Định luật Planck và nhiệt độ chói
– Định luật Planck về phân bố năng lượng trong phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ và độ dài bước sóng được viết như sau:
Câu 3 : nguyên lí quan trắc từ vệ tinh không gian :
λ max là bước sóng bức xạ phát ra theo phổ cực đại
A =2898 μm
T là nhiệt độ
Trang 4• Đo đạc gián tiếp theo 2 phương pháp: bị động và chủ động
– Đo xa tích cực: thiết bị đo phát ra các sóng điện từ tới đối tượng đo, gặp đối tượng đo nó phản xạ trở lại thiết bị cảm biến (radar- Microwave)
– Đo xa thụ động: thì quan trắc (nhận) sóng điện từ từ chính các đối tượng (mà ta định đo) truyền tới nhờ quá trình phát
xạ và phản xạ (Visible, IR)
– Tương ứng với 3 dải phổ ta có 3 loại (dạng) viễn thám:
• 1) Viễn thám thị phổ và hồng ngoại phản chiếu, nguồn năng lượng bức xạ ở đây là từ mặt trời;
• 2) Viễn thám hồng ngoại nhiệt với nguồn năng lượng bức xạ từ chính đối tượng thám sát,
• 3) Viễn thám vi sóng Riêng viễn thám vi sóng lại
có 2 loại: viễn thám tích cực và viễn thám thụ động
Phân biệt các loại vệ tinh khí tượng
Trang 5Nằm trên mặt phẳng xíchđạo.
Độ cao khoảng 36000 km
Quỹ đạo đồng bộ với quaycủa trái đất
Chu kỳ khoảng 1436minutes
Độ bao phủ lớn từ trên cao
Có góc nhìn rộng ~ 50degrees
Độ phân giải thấp
Cung cấp dữ liệu liên tuc ~15-30 min
Không thích hợp cho thámsát thẳng đứng
Độ phân giải cao
Dữ liệu nhận được thay đổitheo vĩ độ
Thích hợp cho thám sátthẳng đứng
Câu 4 đặc điểm cơ bản của ảnh mây vệ tinh :
Đặc điểm
1 Độ phân giải không gian
• Kích cỡ của điểm ảnh trên mặt đất
• Được biểu diễn bằng một giá trị đơn lẻ (1km) nếu như điểm ảnh
là hình vuông
• Tùy theo nhu cầu sử dung từ phát hiện -> xác định -> phân tích
muc tiêu thì đòi hỏi của phân giải tăng dần
• Nguyên lý: Chọn độ phân giải bằng khoảng 10 lần kích cỡ của
đối tượng giám sát
Trang 6gọi là cửa sổ khí quyển hoặc các kênh ảnh
• Cảm biến của vệ tinh có thể "nhìn thấy" trong một loạt các cửa
sổ bức xạ điện từ
• Ba kênh quan trọng nhất được sử dung là:
– Thị phổ: (0.6 microns)
– Hồng ngoại: (10 to 12 microns)
– Hơi nước: (6.5 and 6.9 microns )
3 Dạng ảnh
• Ảnh Alanog và ảnh số
• Mỗi ô nhỏ đã nói là một ảnh điểm (pixel) Hình dạng (shape)của ảnh điểm thường cho là hình vuông để dễ sử dung, mặc dù có thể
là hình tam giác hoặc luc giác
• Số con số của mỗi ảnh điểm là số nhị phân (hay bits), nó biếnđổi từ 0 đến 2k, k là số bits dùng để biểu diễn độ sâu của ảnh, nó phuhuộc vào cảm biến kế của vệ tinh
Trang 7• Sự khác biệt trong phản xạ của những đám mây, nước, đất, thựcvật cho phép chúng ta phân biệt các tính năng này trong hình ảnh – Những vùng đậm màu trên ảnh thị phổ thể hiện nhữngvùng có lượng nhỏ ánh sáng mặt trời được phản xạ lại không gian – Những vùng trắng sáng thể hiện những vùng mây
– Những vùng màu xám thể hiện trời quang mây
– Mặt biển nói chung màu tối trong khi tuyết và mây dầymàu sáng
• Độ sáng của mây trên ảnh thị phổ được sáng định bằng độ caocủa đỉnh mây, độ dầy của mây, lượng hạt nước hoặc tinh thể băngtrong mây:
– Những mây stratus bao phủ trái đất như tấm màn gồmnhiều hạt và phản xạ nhiều ánh sáng mặt trời -> Hiển thị màu trắng – Sương mù cũng có thể dễ dàng nhìn thấy trên ảnh thị phổ – Mây Ci tầng cao khó nhìn thấy vì có rất ít hạt đá
– Mây đối lưu sâu hiện thị rõ trên ảnh thị phổ
d) Ảnh thị phổ dùng phối hợp với ảnh IR đểphân biệt các loại mây.Mây
• Stratus trên ảnh thị phổ thì trắng, còn trên ảnh IR thì xám
• mây Cirrus dày thì có màu trắng trên cả 2 loại ảnh
Trang 8Ảnh thị phổ có thể nhìn thấy bóng của mây và giúp cho việc xác địnhcấu trúc của mây khi mặt trời nghiêng.
ảnh hồng ngoại (IR)
• Tất cả các đối tượng phát ra bức xạ liên quan đến nhiệt độ vàkhả năng của nó để phát ra bức xạ
• Ảnh hồng ngoại có cả ban ngày và ban đêm
• Một công cu hồng ngoại cung cấp thông tin về nhiệt độ của đất,nước, và những đám mây bằng cách đo bức xạ hồng ngoại phát ra từbề mặt dưới vệ tinh Các năng lượng bức xạ được đo bằng cảm biếnhồng ngoại được chuyển đổi thành nhiệt độ
• Trong hình ảnh hồng ngoại, các đối tượng lạnh có màu trắng vàbề mặt nóng xuất hiện màu đen
• Phân biệt các đặc tính mây trên ảnh hồng ngoại:
– Ảnh hồng ngoại có thể sử dung để phân biệt mây thấp vàmây cao Mây thấp tương đối ấm và thể hiện thành màu xám trên ảnh.Mây dầy lạnh, như những đám mây dông thể hiện màu trắng
– Bề mặt đất và biển có thể phân biệt do sự đốt nóng khácnhau: Ban ngày bề mặt đất sẫm màu hơn
• a) Vì ảnh IR đo năng lượng bức xạ nhiệt phát xạ của đối tượng
đo nên từ đó có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo; nhờ vậy
mà nó được sử dung phối hợp với ảnh hơi nước để xác định giángthuỷ
• Những mây thấp và sương mù không thể quan sát được vào banđêm vì nhiệt độ của chúng gần giống như nhiệt độ bề mặt
• mây càng cao hoặc phát triển cao càng có nhiệt độ thấp, càngsáng chói
• b) Trên các ảnh hồng ngoại, mặt nước và bề mặt mặt đất ấm làmxuất hiện màu xám tối hoặc màu đen Các đỉnh mây lạnh thì màutrắng, còn mây ở mực thấp hơn thì ấm hơn nên có màu xám Các mâythấp và sương mù là khó nhận ra trên ảnh hồng ngoại khi mà nhiệt độcủa chúng và bề mặt gần như nhau vì chúng ở gần sát bề mặt trái đất
Trang 9• c) có thể được xử lý để cho ra ảnh tăng cường màu Số liệu từảnh hồng ngoại thông thường được chế tác đặc biệt để làm nổi bật cácchi tiết về nhiệt độ hoặc cấu trúc hình thái mây bằng cách gán độ xámđậm nhạt hoặc màu để co hẹp các giải nhiệt độ lại
• d) Vì ảnh IR có thể thu được liên tuc nên có thể tạo ra ảnh độngnhằm theo dõi sự di chuyển hay quá trình phát triển của hệ thống mâytrên khu vực mà ta quan tâm
Tổng kết
a.Với ảnh VIS
Ưu điểm:
Có thể nhìn được những mẫu mây cơ bản và các cơn bão
Quan sát được bao phủ tuyết
Có thể nhìn thấy bóng của những đám mây cao (ảnh 3-D )
Nhược điểm:
Chỉ có thể có vào ban ngày
Khó phân biệt mây thấp với mây cao do các mây có cùng albedo
Khó phân biệt tuyết và mây trong mùa đông
b.với ảnh IR
Ưu điểm:
Phân biệt giữa mây cao và mây thấp
Có thể quan trắc vào ban đêm
Phân biệt được mây và bao phủ tuyết
Cons:
Có thể khó khăn trong phân biệt mây cirrus và mây đối lưu sâu
Làm cho những đám mây xuất hiện mờ với các cạnh được xác định íthơn so với ảnh thị phổ
ảnh hơi nước
• Hình ảnh hơi nước là một công cu có giá trị để phân tích và dựbáo thời tiết, bởi vì nó đại diện cho mô hình dòng chảy của tầng đốilưu trên Hơi nước là xuyên qua được cho bức xạ ở bước sóng nhìnthấy và 10-12 micron Tuy nhiên, hơi nước là chất hấp thu rất hiệuquả và phát bức xạ có bước sóng giữa 6.5 và 6.9 micron Vì vậy, vệ
Trang 10tinh đo lượng bức xạ phát ra bởi không khí ở những bước sóng có thểđược sử dung để phát hiện hơi nước trong khí quyển Hình ảnh vệ tinhhơi nước hiển thị nồng độ hơi nước trong lớp khí quyển giữa 600 và
300 milibar, (4.000-9.000 mét) Đây là tầng trung và phần trên củatầng đối lưu, khu vực quan trọng cho sự phát triển của mây dông
• Trong hình ảnh hơi nước, màu đen cho thấy số lượng hơi nướcthấp và màu trắng sữa chỉ ra nồng độ cao Sáng trắng tương ứng vớinhững đám mây cao Hình ảnh hơi nước cung cấp thông tin trong tấtcả các vùng, thậm chí cả những vùng không có mây
•
Trang 11Câu 5 nhận biết các loại mây trên ảnh vệ tinh :
Mây tầng thấp
Mây thấp ít sáng hơn trên ảnh
thị phổ vì chúng không có
nhiều các hạt băng Các hạt
mây chứa nhiều nước hơn nên
hấp thấp ánh sáng nhiều hơn là
phản xạ
Mây tầng cao chứa nhiều các
tinh thể băng hơn nước nên rất
bóng của mây và giúp cho việc
xác định cấu trúc của mây khi
mặt trời nghiêng
Ảnh hông ngoại chỉ ra nhiệt độcủa bề mặt phát xạ, mây càngcao hoặc phát triển cao càng
có nhiệt độ thấp, càng sángchói
Những mây thấp và sương mùkhông thể quan sát được vàoban đêm vì nhiệt độ của chúnggần giống như nhiệt độ bề mặt
Trong buổi ngày những mâythấp này được quan trắc bằngảnh thị phổ
Những ảnh thu được ở kênh3.9 micron có thể dùng để pháthiện những mây thấp này banđêm
Khu vực đỉnh khí quyển độ ẩmcao có màu trắng hoặcsáng( nhiệt độ thấp) và khuvực có độ ẩm thấp thì có màutối ( nhiệt độ cao)
Tầng trung lưu kk có độ ẩmcao nhất nên quan trắc = ảnh
WV rõ nhất Tầng thấp hơn thì độ ẩm thấphơn
Trang 12Câu 6 phân biệt mây stratus và sương mù
*Trên ảnh mây vệtinh ta có thểphân biệt được sương mù và mâyStratus theo các cách sau:
1) Sương mù thường bám theo địa hình, nhưsương mù vùng thunglũng, các đường gờcủa sương mù điển hình là không theo quy tắc;
o 2) Với những ảnh mây liên tiếp theo thời gian ta có thểnhận thấysương mù thì không chuyển động, còn mây Stratus thì di chuyển Tuynhiên với sương mù bình lưu thì có thểdi chuyển, nhưng theo hướng
di chuyển của không khí bình lưu, nên cũng có thểphân biệt được;
o 3) Vềban ngày sương mù trên ảnh thịphổthì sáng, còn trên ảnh hồngngoại 3,7 µm thì tối, vì khảnăng phản xạlớn hơn so với khảnăng phátxạ(ởnhiệt độ ấm gần sát mặt đất)
*Nhận biết sương mù bằng tổ hợp kênh
+ Nếu là sương mù thì mặt phẳng mịn, còn mây Sc/Ac thì mặt lốmđốm;
+ Sương mù sáng chói hơn Sc/Ac, nếu có cùng độdày;
+ Sương mù có gờcạnh phân biệt (rõ nét hơn), còn mây cao hơnthường cóbóng đen đi kèm;
+ Sương mù ởkênh 4 ấm hơn;
+ Sương mù di chuyển rất chậm theo thời gian
*Thể hiện trên ảnh NOAA:
• Sương mù và mây stratus rất sáng trên các ảnh ở 0,6 µm (Ch1)
và 0,9 µm (Ch2), nhưng chỉ có vào ban ngày Nếu những mây nàynằm dưới mây trung và cao thì phát hiện rất khó
Trang 13• Trên ảnh 10,8 µm (Ch4), Biểu hiện của mây stratus và sương
mù đồng nhất hơn trên ảnh VIS, và sự phát hiện khó hơn, nếu như sựkhác biệt của nhiệt độ đỉnh mây và bề mặt nhỏ, tuy nhiên sự khác biệtnhỏ có thể tăng cường và vùng mây có thể nhìn rõ
• Ban đêm ảnh 3,7 µm (Ch3B) mây St/fog sáng hơn trên Ch4 do
sự biến động phổ của khả năng phát xạ của hạt trong mây Sự khácbiệt này chỉ lệ nghịch với hạt nước trong mây Trên biển các hạt tohơn nên sự khác biệt nhỏ hơn
• Ban ngày dùng kết hợp 3 kênh: 124
• Kết hợp các kênh345 có thể dùng cả ngày và đêm
Câu 7 : phân tích front ;
Các giai đoạn của front :
Trang 15Thời tiết khi có front :
Khi có front lạnh
Thời tiết trước trong sau front nóng
Trước khi front
qua
Trong khi front qua
Sau khi front qua
nhưng có cải thiện
Thời tiết tốt, sương mù
Điểm
sương Tăng đều Duy trì Tăng sau đó duy trì
Sử dụng ảnh mây vệ tinh phân tích front :
Trang 17Câu 8 : phân tích mây đối lưu
Có 3 giai đoạn hình thành do nguyên nhân động lực, nhiệt lực kết hợp
a.Mây đối lưu trên đất liền
• Trong điều kiện gió nhẹ: thuận lợi sự phát triển của mây Cu, nhưtrên bề mặt đất cao, kết hợp với rãnh, và nơi có hội tu của gió biển =>mây Cu được phân bố ngẫu nhiên
• Trong điều kiện gió mạnh hơn (<10 knots), những luống mây có xắpxếp của mây đối lưu xuất hiện Cưỡng bức địa hình có thể dẫn đếnnhững vùng hội tu trong trường gió dẫn đến khả năng tăng lên thànhnhững mây gây mưa kéo dài theo chiều gió từ khu vực phát sinh
• Những luống mây song song cách nhau dải hẹp của những mây Cunông được gọi là các dãy mây: cách nhau khoảng 2-8km, với khônggian khoảng 3 lần độ dầy của mây Trong khi không khí chuyển độnglên trong những dãy mây, có những chuyển động giáng ở giữa, ngăncản sự phát triển của mây và duy trì hình dạng mây
b.Đối lưu trên biển
• Các ổ mây đối lưu trên biển thường được phân ra 3dạng: các ổ mây
mở, các ổ mây khép kín và các luống mây (hình cong như cái cunghoặc duỗi thẳng như các dãy phố)
Luống mây:
– đường có khoảng cách rộng hơn trên biển, thường xuất hiện ở cuốidòng thổi của khối khí lạnh mạnh từ đất liền ra Nó bắt đầu từ mộtvùng mây tầng, khi ẩm được vận chuyển lên từ bề mặt biển ấm đượcgiữ lại bên dưới lớp nghịch nhiệt Việc tiếp xúc với bề mặt nước biểnấm hơn, đối lưu mạnh phá vỡ nghich nhiệt và mây trở thành có bảnchất đối lưu hơn
– Giống như luống mây trên đất liền, khoảng cách giữa các luống mâyliên quan đến độ sâu của đối lưu, khi đối lưu càng mạnh, khoảng cáchgiữa các mây càng tăng
– hướng của các luống mây trên biển là dấu hiệu tốt của hướng gió tầng