Giao lưu văn hóa Việt Nam Nhật Bản trong hoạt động truyền thông VOV

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời được chiết xuất từ tư liệu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Bốc thoát hơi nước bề mặt đất ETa (evapotranspiration) là quá trình chuyển đổi khối lượng nước từ bề mặt (đất) thành hơi nước (bốc

hơi) và từ thảm thực vật (thoát hơi nước) vào bầu không khí Bức xạ Mặt Trời cung cấp năng lượng làm gia tăng nhiệt độ bề mặt của mặt nước và mặt đất tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể

lỏng sang thể hơi Thực tế, rất khó để đo lường ETa trực tiếp và trong

hầu hết các ứng dụng, ETa được tính toán bằng cách sử dụng các mô hình lý thuyết, thực nghiệm Độ tin cậy định lượng bốc thoát hơi nước ETa không chỉ là một nhiệm vụ quan trọng cho các nhà quản lý nguồn tài nguyên nước, mà còn là một thách thức đối với các nhà khoa học Với sự phát triển của công nghệ viễn thám, trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu trên thế giới đang từng bước ứng dụng công nghệ viễn thám ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ ảnh viễn thám, giảm đáng kể về chi phí và công sức cho công tác quan trắc ngoại nghiệp Trong khi đó ở Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước người

ta thường sử dụng phương pháp đo đạc trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng riêng biệt rải rác trên khu vực, đây là công việc hết sức khó khăn và tốn kém Trung bình mỗi tỉnh thành chỉ có một đến vài ba trạm, từ đó nội suy ra các vùng lân cận Số liệu đo từ nguồn này có thuận lợi là có số liệu đo hàng ngày và dữ liệu được ghi chép trong thời gian dài, nhưng số liệu thô do điểm đo ít và thưa thớt, không thể cung cấp một cách chi tiết dữ liệu giữa các trạm quan trắc trong một khu vực rộng lớn Vì vậy, chúng không đảm bảo tính tổng quát, tính khách quan cho toàn vùng Một thực tế hiện nay là ở Việt Nam, có khá đầy đủ các loại tư liệu ảnh viễn thám; từ loại ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình như ảnh MODIS, LANDSAT đến các loại ảnh

vệ tinh ASTER, SPOT có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam chụp ở các thời kỳ khác nhau Với các loại ảnh này, kết hợp với một số dữ liệu về khí tượng thủy văn cho phép nghiên cứu xác định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời trong một chu trình thời gian phục vụ công tác quy hoạch bảo vệ nguồn tài

nguyên nước một cách có hiệu quả Với tính cấp thiết nêu trên, luận

án tiến sĩ đã được đề xuất “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám

xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ Mặt Trời tại Lưu vực Sông Cầu”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời được chiết xuất từ tư liệu ảnh viễn thám phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các khái niệm về bốc thoát hơi nước và các phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước

- Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ

dữ liệu viễn thám, thí điểm cho Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam

- Đề xuất quy trình xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ tư liệu viễn thám

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Để có được các đánh giá một

cách tổng quan các nội dung liên quan đến lĩnh vực của đề tài, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp một số tài liệu, các kết quả nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ dữ liệu viễn thám đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam

Từ đó, đề xuất phương pháp phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu ở Việt Nam

- Phương pháp viễn thám: Phương pháp viễn thám là phương pháp

sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để nghiên cứu, chiết xuất năng lượng bức xạ Mặt Trời và tính toán lượng bốc thoát hơi nước bề mặt đất, lấy

ví dụ cho khu vực nghiên cứu là Lưu vực Sông Cầu

- Phương pháp thực nghiệm: Tác giả tiến hành thực nghiệm chiết

xuất năng lượng bức xạ Mặt Trời từ ảnh viễn thám và tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu ở các thời điểm khác nhau bằng phương pháp viễn thám Đây là phương pháp ứng dụng công nghệ cao, đã và đang được nghiên cứu áp dụng trên thế giới

- Phương pháp mô hình: Các nghiên cứu được thể hiện dưới dạng

các mô hình lý thuyết, mô hình trực quan, các sơ đồ, biểu đồ nhằm nâng cao hiệu quả và thể hiện rõ ràng các kết quả nghiên cứu

5 Phạm vi nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu thí điểm là phạm vi Lưu vực Sông Cầu ở miền Bắc Việt Nam, với diện tích Lưu vực hơn 6030 km2, trải rộng trên địa phận của 5 tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và Thành phố Hà Nội

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

6.1 Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được cơ sở khoa học và minh

chứng thực tiễn thành công khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ ảnh viễn thám Có thể nói đây là nghiên cứu đầu tiên về ứng dụng công nghệ viễn thám để xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất dựa vào bức xạ Mặt Trời được chiết xuất từ tư liệu viễn thám ở Việt Nam

6.2 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là tư liệu hỗ

trợ về lý thuyết và thực tiễn ứng dụng công nghệ viễn thám trong xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức

xạ mặt trời chiết xuất từ ảnh viễn thám Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp thực hiện có tính khả thi cao và có thể ứng dụng cho các hệ thống Lưu vực sông của Việt Nam

7 Luận điểm bảo vệ của luận án

Luận điểm 1: Có thể thay thế tính toán bức xạ ròng của phương pháp

FAO-56 PM (phương pháp truyền thống) bằng phương pháp viễn thám theo mô hình S-SEBI, sai số xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất có thể đạt được nhỏ hơn 20%

Luận điểm 2: Sử dụng mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh nhiệt

độ bề mặt chiết xuất từ kênh ảnh nhiệt LANDSAT, kết hợp với việc xác định hệ số “liên hệ c” sẽ nâng cao độ chính xác xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất lên trên 5%

8 Những điểm mới của luận án

Đưa công nghệ viễn thám vào lĩnh vực chiết xuất bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất thông qua xác định các tham số phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam bao gồm:

- Đề xuất xác định hệ số liên hệ c: Hệ số “liên hệ c” được định nghĩa là hệ số liên kết giữa ba đại lượng: (1) Tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời ETFi tính theo phương pháp S-SEBI, (2) bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính theo phương pháp Priestley-Taylor, và (3) bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo phương pháp FAO-56 PM

Việc đề xuất hệ số “liên hệ c” nhằm nâng cao độ chính xác tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam

- Đề xuất hệ số a trong phương pháp Priestley-Taylor được khảo nghiệm trong điều kiện địa hình và khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam nằm trong khoảng 0,95-1,05 sẽ cho phép tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất với sai số tuyệt đối trung bình có thể đạt được nhỏ hơn 20% so với kết quả đo ngoại nghiệp

- Dựa vào bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính theo phương pháp viễn thám và bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo phương pháp FAO-56 PM đề xuất xác định hệ số cây trồng hỗn hợp Kc trên

quy mô diện rộng, nhanh và hiệu quả

- Đề xuất xây dựng quy trình tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo mô hình S-SEBI (Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt giản lược) phù hợp với điều kiện địa hình

và khí hậu tại Lưu Sông Cầu của Việt Nam

9 Khối lượng và kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án có 3 chương: Chương 1: Tổng quan về bốc thoát hơi nước do bức xạ Mặt Trời và phương pháp nghiên cứu; Chương 2: Cơ sở khoa học xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất dựa vào năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ tư liệu ảnh viễn thám; Chương 3: Thực nghiệm xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu bằng sử dụng tư liệu ảnh LANDSAT-7

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỐC THOÁT HƠI NƯỚC DO BỨC XẠ MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước và các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước

1.1.1 Khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước (Lượng nước bốc hơi)

- Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa (evapotranspiration)

là quá trình chuyển đổi khối lượng nước từ bề mặt (đất) thành hơi nước (bốc hơi) và từ thảm thực vật (thoát hơi nước) vào bầu không khí

- Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn, trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấp nước đầy đủ theo một điều kiện tối ưu

- Hệ số cây trồng Kc (Crop coefficient) là tỉ số giữa lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất trong từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng với lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu (Kc= ETa /ETo)

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước

Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước gồm; bức xạ mặt trời, nhiệt độ, gió và độ ẩm không khí Sự bốc thoát hơi nước từ bề mặt địa hình tăng lên khi bức xạ Mặt Trời lớn, nhiệt độ môi trường tăng cao, không khí trở nên khô, gió mạnh, độ ẩm thấp (Lê Anh Tuấn, 2009)

1.2 Tổng quan các phương pháp truyền thống xác định lượng bốc thoát hơi nước

1.2.1 Nhóm phương pháp trực tiếp xác định lượng bốc thoát hơi nước ngoài thực địa

Nhóm phương pháp dựa trên nền tảng khí tượng học để xác định tổng lượng bốc thoát hơi nước thông qua các thiết bị đo đạc trực tiếp ngoài ngoại nghiệp, một số phương pháp tiêu biểu gồm: Phương pháp Thủy tiêu kế (Lysimeter); tương quan gió cuốn (Eddy Covariance); sử dụng thiết bị cảm biến (Bowen ratio) và Phương pháp chậu Pan A

1.2.2 Nhóm phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc khí tượng

Nhóm phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc khí tượng dựa trên số liệu đo đạc khí tượng tại các trạm quan trắc khí tượng

để ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất Một số nhóm phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc khí tượng tính bốc thoát hơi nước thực tế gồm: Nhóm phương pháp sử dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời; sử dụng lý thuyết về ngân sách nước; sử dụng lý thuyết ngân sách năng lượng và Nhóm phương pháp kết hợp Phương pháp Penman-Monteith (FAO-56 PM) nằm trong nhóm phương pháp kết hợp được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất để ước tính bốc

thoát hơi nước tham chiếu cho các thời điểm khác nhau Công thức FAO-56 PM tính lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo như sau:

2 m từ mặt đất (m/s); es - Áp suất hơi nước bão hòa (kPa); ea - Áp suất hơi nước thực tế (kPa); ∆ - Độ dốc của áp suất hơi nước trên đường cong quan hệ nhiệt độ (kPa/ °C); γ - Hằng số ẩm (kPa/ °C)

Hiện nay, trong thực tế người ta hay sử dụng phương pháp Priestley-Taylor để tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất

Do đây là phương pháp đơn giản, sử dụng ít số liệu ngoại nghiệp nhưng có độ chính xác xấp xỉ với độ chính xác của phương pháp chặt chẽ FAO-56 PM

1.3 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời

1.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

Việc ứng dụng ảnh viễn thám trong tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời trên thế giới hiện nay chủ yếu tập trung vào giải pháp cân bằng năng lượng bề mặt đất EB (energy balance), đây là giải pháp sử dụng phản xạ bề mặt đất trên ảnh viễn thám ở dải phổ nhìn thấy, phần cận hồng ngoại của quang phổ điện từ

và nhiệt độ bề mặt, bức xạ ròng từ kênh ảnh nhiệt hồng ngoại của ảnh viễn thám Cách tiếp cận này dựa trên cơ sở khoa học cho rằng lượng bốc thoát hơi nước là sự thay đổi trạng thái của nước sử dụng năng lượng có sẵn trong môi trường để bốc hơi Các phương pháp cân bằng năng lượng bề mặt đất dựa trên sự biến đổi bức xạ ảnh vệ tinh về đặc trưng bề mặt đất, suất phân sai bề mặt đất Albedo, chỉ số thực vật, phát

xạ bề mặt và nhiệt độ bề mặt để tính toán bốc thoát hơi nước như là số hiệu chỉnh trong phương pháp cân bằng bề mặt đất Theo các nghiên cứu khoa học đã được công bố trên các tạp chí trên thế giới thì hiện nay có một số phương pháp viễn thám tiêu biểu để xác định lượng bốc thoát hơi nước như sau: Phương pháp cân bằng năng lượng bề mặt cho đất (SEBAL); Phương pháp lập Bản đồ bốc thoát hơi nước bằng kiểm định nội hóa (METRIC); Mô hình hai nguồn (TSM); Hệ thống cân

bằng năng lượng bề mặt (SEBS); Chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt (SEBI) và Phương pháp chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt giản lược (S-SEBI)

1.3.2 Tổng quan về những kết quả nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam các công trình nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chưa có nhiều Theo các tài liệu đã được công bố trên các tạp chí trong

và ngoài nước từ trước đến nay có một số công trình nghiên cứu ứng dụng dữ liệu ảnh Modis xác định bức xạ Mặt Trời và áp dụng một số phương pháp thực nghiệm để tính toán lượng bốc thoát hơi nước cho khu vực phía Bắc Việt Nam của nhóm tác giả Lương Chính Kế và các cộng sự

1.4 Những vấn đề được phát triển trong luận án

Qua các kết quả nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam những vấn

đề được phát triển trong luận án bao gồm: (1) Nghiên cứu chiết xuất năng lượng bức xạ ròng từ tư liệu ảnh viễn thám; (2) Nghiên cứu xây dựng quy trình tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo phương pháp S-SEBI; (3) Nghiên cứu, khảo sát kết hợp tư liệu ảnh

LANDSAT với mô hình số độ cao (DEM) và hệ số “liên hệ c” nhằm

nâng cao độ chính xác trong tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực

tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu; (4) Nghiên cứu, khảo sát xác định

hệ số a trong phương pháp Priestley-Taylor phù hợp với điều kiện địa

hình và khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu; (5) Xác định hệ số cây trồng Kc

từ ảnh viễn thám phục vụ công tác xác định nhu cầu nước của cây trồng để có thể áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC THỰC TẾ BỀ MẶT ĐẤT DỰA VÀO NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI CHIẾT XUẤT TỪ TƯ

LIỆU ẢNH VIỄN THÁM 2.1 Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Phần này Trình bày các đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên của (thực vật, thổ nhưỡng, nước, đối tượng trong đô thị) ảnh hưởng đến việc tính chỉ số thực vật NDVI, hệ số phát xạ bề mặt đất gây ra sai số trong tính toán nhiệt độ, bức xạ ròng và bốc thoát hơi nước thực tế trên cơ sở sử dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời được chiết xuất từ ảnh viễn thám

2.2 Cơ sở khoa học ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời

2.2.1 Phương pháp cân bằng năng lượng bề mặt đất

Sự cân bằng năng lượng về mặt đất được các nhà khoa học trên thế giới đề xuất bằng phương trình toán học tổng quát sau (Bastiaanssen,

và các cộng sự, 1998):

Trong đó: Rn - Bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất (W/m2); G - Thông nhiệt bề mặt đất (W/m2); H - Năng lượng nhiệt cảm ứng (W/m2); LE - Năng lượng nhiệt ẩn là dòng nhiệt lượng cần thiết (tiêu hao) cho quá trình bốc hơi nước từ đất, sông, hồ và thoát hơi nước từ thảm thực vật (W/m2)

2.2.2 Vai trò của tư liệu viễn thám trong việc xác định các tham số

để tính lượng bốc thoát hơi nước

Từ ảnh viễn thám chúng ta có thể chiết xuất một số tham số khí tượng để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt đất gồm: Lượng bức xạ sóng ngắn đi tới bề mặt đất; Chỉ số thực vật NDVI; Nhiệt độ (Ta - Nhiệt độ không khí ở gần bề mặt đất; Ts - Nhiệt độ bề mặt đất; TB

- Nhiệt độ sáng khí quyển ); Hàm lượng hơi nước, áp suất hơi nước và

độ ẩm tương đối của khí quyển; Tham số truyền dẫn của khí quyển; Suất phân sai bề mặt đất (albedo); Hệ số phát xạ bề mặt đất và của không khí

2.3 Phương pháp viễn thám xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất

2.3.1 Chiết xuất năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày hấp thụ bởi mặt đất

Theo Bastiaanssen và các cộng sự, (2002) bức xạ ròng tại thời điểm

i thu nhận ảnh được chiết xuất từ ảnh dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt 𝑅𝑛𝑖 được mô tả bằng biểu thức:

𝑅𝑛𝑖 = 𝑅𝑛𝑠+ 𝑅𝑛𝑙 ≡ [(1 − 𝛼)𝑅𝑠] + [𝑅𝐿↓− 𝑅𝐿 ↑

− (1 − 𝜀𝑜)𝑅𝐿↓]

(2.9) Trong đó: RS- Tia tới sóng ngắn (W/m2); α RS - Tia phản xạ sóng ngắn (W/m2); RL↓ - Tia tới sóng dài (W/m2); RL↑ - Tia phát xạ sóng dài (W/m2); (1-εo)RL↓ - Tia phản xạ sóng dài (W/m2); 𝛼 - Suất phân sai bề mặt đất (albedo); 𝜀𝑜- Hệ số phát xạ bề mặt

Để tính lượng bức xạ trung bình ngày, chúng ta cần tính tích phân sau:

𝑅𝑛𝑑= ∫0𝐷𝐿𝑅𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛(𝜋.𝑡/𝐷𝐿) = 𝐴 𝑅𝑛𝑖 (2.31)

Trong đó: R max - Bức xạ Mặt Trời vào giữa trưa 12h; DL - Độ dài của ngày (từ thời điểm Mặt Trời mọc tới thời điểm Mặt Trời lặn); t - Khoảng thời gian bắt đầu từ lúc Mặt Trời mọc tới thời điểm i, A là hệ

2.3.1.2 Tính toán suất phân sai bề mặt đất α

- Tính toán suất phân sai ở đỉnh khí quyển 𝜶toa

- Tính suất phân sai bề mặt đất

2.3.1.3 Bức xạ sóng ngắn (R S↓ )

Bức xạ sóng ngắn được tính toán trong điều kiện bầu trời trong xanh như sau:

𝑅𝑠= 𝐺𝑠𝑐× 𝑐𝑜𝑠𝜃 × 𝑑𝑟× 𝜏𝑠𝑤 (2.19) Trong đó: 𝐺𝑠𝑐- Hằng số Mặt Trời (1367 W/m2); 𝑑𝑟- Khoảng cách thiên văn từ Mặt Trời tới mặt đất; θ - góc cao mặt trời

2.3.1.4 Bức xạ của sóng dài (R L↑ )

Bức xạ của sóng dài là năng lượng bức xạ nhiệt phát xạ từ bề mặt của Trái đất tới khí quyển (W/m2) Tia phát xạ sóng dài được tính toán theo công thức Stefan-Boltzmann như sau:

RL↑ = εo × σ × 𝑇𝑠4 (2.20) Trong đó: σ - Hằng số Stefan-Boltzmann (5.67 × 10-8W/m2/K4); Ts

- Hệ số phát xạ bề mặt đất

- Sử dụng DEM để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt do chênh cao địa hình

Thông thường, nhiệt độ bề mặt giảm 6.5 oC khi độ cao tăng lên 1km ở tầng đối lưu Giải pháp sử dụng mô hình số độ cao (DEM) hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt do chênh cao địa hình được đề xuất trong phương pháp SEBAL theo công thức sau:

𝑇𝑠_𝐷𝐸𝑀= 𝑇𝑠+ 0.0065∆𝑧 (2.23b) Trong đó: TS - Nhiệt độ bề mặt (oC), ∆𝑧 - Độ cao của mỗi điểm ảnh so với bề mặt trung bình của nước biển (m)

- Chỉ số thực vật NDVI là tỷ số hiệu số chuẩn hóa giữa phản xạ của kênh cận hồng ngoại (ρ 4 ) và kênh đỏ (ρ 3 )

NDVI = (ρ4 − ρ3) / (ρ4 + ρ3) (2.24) Trong đó: ρ4 - Kênh phổ ảnh cận hồng ngoại (Near InfraRed), ρ

3 - Kênh phổ ảnh phổ thuộc bước sóng màu đỏ

- Tính hệ số phát xạ bề mặt ε o

Công thức tính cho các loại thực vật và lớp phủ thực vật thay đổi:

εo = εv Pv + εs (1 – Pv) (2.25) Trong đó: εv và εs - Đại lượng phát xạ của các thảm thực vật và đất trống; Pv - Phần phủ thực vật

2.3.1.5 Bức xạ tới sóng dài R L↓

Bức xạ đi tới sóng dài RL↓ là dòng bức xạ nhiệt đi xuống từ khí quyển theo công Stefan-Boltzmann như sau:

RL↓= εa × σ × 𝑇𝑎4 (2.28) Trong đó: εa - Hệ số phát xạ của khí quyển; Ta - Nhiệt độ không khí gần mặt đất (oK)

* Ngoài phương pháp viễn thám tính toán bức xạ ròng trong luận

án còn sử dụng Phương pháp FAO-56 PM tính bức xạ ròng trung bình ngày phục vụ kiểm tra đánh giá kết quả viễn thám

Phương pháp FAO-56 PM là phương pháp sử dụng bức xạ ròng trung bình ngày để tính lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu mà Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc khuyến cáo sử dụng như sau:

𝑅𝑛𝑑= (1 − 𝛼)𝑅𝑠− 𝑓𝜀𝜎𝑇𝑎4 (2.32) Trong đó: α - Suất phân sai bề mặt đất (albedo); Rs - Tổng xạ Mặt Trời sóng ngắn đi tới mặt đất; f - Tham số hiệu chỉnh do mây; 𝜀 - Tham số phát xạ khí quyển; Ta - Nhiệt độ không khí trong ngày

Phương pháp tính bức xạ ròng trung bình ngày 𝑅𝑛𝑑 theo phương pháp FAO-56 PM trong luận án được đề xuất tính cho hai trường hợp: (1) bức xạ Mặt Trời đi tới Rs được tính theo công thức Ăngstrom; (2) bức xạ Mặt Trời đi tới 𝑅𝑠 được tính theo công thức kinh nghiệm của

Công thức để tính toán 𝐸𝑇𝐹𝑖 dựa vào mối quan hệ tuyến tính giữa

hệ số phát xạ bề mặt albedo và nhiệt độ bề mặt như sau:

𝐸𝑇𝐹𝑖 = (𝑇𝐻 − 𝑇𝑠)

(𝑇 𝐻 − 𝑇𝐿𝐸) (2.33) Trong đó: 𝑇𝐻- Nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện khô, đại diện cho dòng nhiệt ẩn nhỏ nhất (LEkhô = 0), hay dòng năng lượng nhiệt cảm ứng lớn nhất (Hkhô = Rn − G); 𝑇𝐿𝐸- Nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện ẩm nó đại diện cho dòng nhiệt ẩn lớn nhất (LEẩm

=(Rn − G )), hay dòng năng lượng nhiệt cảm ứng nhỏ nhất (Hẩm = 0) của phản xạ bề mặt, được thể hiện dưới sơ đồ ở hình 2.9:

ố

Hình 2.9: Sơ đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và suất phân sai

bề mặt trong phương pháp S-SEBI

T S

T LE

T H

α Suất phân sai bề mặt đất α

LE(α) (max)

𝐸𝑇𝐹𝑖 = 𝑎𝐻 − b𝐻𝛼−𝑇𝑠

𝑎𝐻−𝑎𝐿𝐸−(𝑏𝐻− 𝑏𝐿𝐸)𝛼 (2.36) Giá trị bốc thoát hơi nước theo ngày tính toán theo phương pháp S-SEBI dựa vào lý thuyết vật lý như sau:

𝐸𝑇𝐹𝑖 = 𝐸𝑇𝐹𝑑 = λET𝑖

(𝑅𝑖−𝐺𝑖)= λET𝑎

(𝑅𝑛𝑑−𝐺𝑛𝑑) (2.39) Xem xét rằng tổng thông lượng nhiệt trong đất G là xấp xỉ bằng 0 giá trị bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa được tính toán bởi công thức:

𝐸𝑇a=𝐸𝑇𝐹𝑑 ×𝑅𝑛𝑑

Trong đó: ETa - Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất (mm/ngày);

R𝑛𝑑- Bức xạ ròng trung bình ngày (MJ/m2/ngày), 𝜆 - Hằng s 2.3.2.2 Tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo phương pháp Priestley-Taylor

Priestley-Taylor, (1972) đề xuất phương pháp thực nghiệm tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa từ năng lượng bức xạ Mặt Trời có độ chính xác xấp xỉ với độ chính xác của phương pháp chặt chẽ FAO-56 PM như sau:

𝐸𝑇𝑎= 𝑎 ∆

∆+𝛾

𝑅𝑛

Hệ số a, b của Priestley-Taylor kiểm định tại Mỹ có trị số bằng 1,26

và 0; kiểm định tại châu Âu (Thụy Sĩ), 1984, a = 0.90 và b = 0; kiểm định tại châu Á (Đài Loan) a = 1.00 và b = 0 (Chen J và các cộng sự, 2005) Ngoài các hệ số a nêu trên, trong nội dung nghiên cứu của luận

án mở rộng khảo sát thêm hai trường hợp a=0.95 và a=1.05 Hệ số a

về mặt lý thuyết có thể xây dựng phục vụ tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo hai phương pháp dựa vào nhiệt độ và dựa vào các tham số nhiệt độ, albedo và chỉ số thực vật NDVI chiết xuất từ viễn thám

2.4 Đề xuất ứng dụng phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất

từ ảnh viễn thám

2.4.1 Lựa chọn phương pháp S-SEBI

Các phương pháp gồm SEBAL, SEBI, SEBS, METRIC, TSM đều

có những ưu điểm riêng của từng phương pháp trong xác định lượng