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

Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khíNghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí

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

i

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

ii

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

iii

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

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.

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Trần Phúc Hưng

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

v

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

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

vi

Hệ số Ångström Nhiệt độ thế vị

vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Composition Change

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần của khí quyển không bị ô nhiễm [23] 8

Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại xon khí [25] 13

Bảng 2.1 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu 18

Bảng 2.2 Thông số về các chế độ đo 20

Bảng 2.3 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn 21

Bảng 2.4 Thông số Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] 22

Bảng 2.5 Số liệu khí quyển tính từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA 26

Bảng 2.6 Số liệu thám không trạm 48820 [29] 27

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5] 4

Hình 1.2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan trắc được [5] 5

Hình 1.3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24] 9

Hình 2.1 Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu 18

Hình 2.2 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP 20

Hình 2.3 Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] 22

Hình 2.4 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28] 24

Hình 2.5 Thiết bị quang phổ kế AERONET 25

Hình 2.6 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT 32

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu 34

Hình 3.2 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi loại bỏ nhiễu nền (màu cam) 35

Hình 3.3 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng cách 37

Hình 3.4 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các tỉ số LIDAR Lp khác nhau với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 38

Hình 3.8 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018 43

Hình 3.9 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018 44

Hình 3.10 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) 45

Hình 3.11 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 46

Hình 3.12 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ

số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày 09/04/2018 46

Hình 3.13 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 47

Hình 3.14 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018 47

Hình 3.15 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 48

Hình 3.16 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017

49

xi

Hình 3.17 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ

số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày 25/12/2018 49

Hình 3.18 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC 50

Hình 3.19 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC 51

Hình 1 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong

kỳ quan trắc ngày 21/03/2018 Error! Bookmark not defined.

Hình 2 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 21/03/2018 Error!

Bookmark not defined.

Hình 3 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong

kỳ quan trắc ngày 15/05/2018 Error! Bookmark not defined.

Hình 4 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 15/05/2018 Error!

Bookmark not defined.

xii

1

MỞ ĐẦU

Quan trắc các đối tượng như xon khí, bụi, phân bố của chúng trong khí quyển là một vấn đề cấp thiết bởi sự liên quan tới các quá trình vật lý và vi vật lý trong khí quyển, các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp tới các quá trình thời tiết, khí hậu, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển

Trong vài thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì nhiều hệ thống LIDAR đã được các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới nghiên cứu chế tạo, phát triển phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển đa dạng cùng với các phương thức và đối tượng nghiên cứu khác nhau Các thông số có thể tính toán được từ số liệu LIDAR có thể kể đến như hệ số tán

xạ ngược, hệ số suy hao xon khí, độ dày quang học khí quyển, tỉ số phân cực,

hệ số hấp thụ đối với các loại hạt bụi và khí Các thông số này có thể được sử dụng cho các nghiên cứu về môi trường, ô nhiễm không khí, nghiên cứu độ cao lớp biên, các lớp khí quyển trên cao, phân bố xon khí trong khí quyển, ứng dụng hiệu chỉnh khí quyển cho các sản phẩm viễn thám Ngoài ra LIDAR còn được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về vận chuyển lan truyền bụi, khí thải trên quy mô vừa, quy mô lớn Hệ thống này cũng được gắn trên máy bay, vệ tinh phục vụ quan trắc từ xa, xác định độ cao địa hình

Với thực trạng nghiên cứu hiện tại ở Việt Nam về sử dụng công nghệ LIDAR trong quan trắc khí quyển còn chưa có nhiều và còn nhiều vấn đề cần giải quyết nên luận văn sẽ tập trung giải quyết các vấn đề liên quan tới xử lý

số liệu LIDAR quan trắc xon khí và phân tích một số trường hợp điển hình, số liệu được tính toán kết hợp với các nguồn số liệu quan trắc khác để nâng cao tính chính xác

2

Luận văn đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu chính:

- Tính toán được các thông số khí quyển gồm: hệ số suy hao xon khí, hệ

số tán xạ ngược xon khí, độ dày quang học khí quyển từ số liệu LIDAR

- Phân tích đánh giá được một số trường hợp điển hình

Các nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Thu thập, thống kê số liệu phục vụ cho luận văn

- Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR

- Xây dựng thuật toán xử lý số liệu

- Phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình

Dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu, luận văn sẽ được bố cục thành các phần như sau:

Mở đầu

Chương 1 Cơ sở khoa học

Tập trung nghiên cứu tổng quan về hệ thồng lidar, khí quyển và các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ lidar ở trong và ngoài nước

Chương 2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu

Đưa ra các nguồn số liệu sử dụng trong luận văn, diễn giải phương pháp nghiên cứu và giải thích lý do tại sao chọn phương pháp này

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Tập trung phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình sau khi đã sử

lý số liệu và đưa vào chương trình tính toán

Kết luận và kiến nghị

3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KHOA HỌC LIDAR

1.1.1 Kỹ thuật LIDAR

LIDAR (Light Detection and Ranging) là phương pháp quan trắc chủ

động từ xa để nghiên cứu các thông số khí quyển như nhiệt độ, thành phần, gió LIDAR hoạt động tương tự như RADAR, trong thực tế nhiều khi LIDAR còn được gọi là RADAR ánh sáng Cả hai kỹ thuật này đều phát ra bức xạ điện từ và thu nhận các bức xạ tán xạ trở lại thiết bị Các bức xạ tán xạ trở lại được phân tích để xác định đặc điểm của khu vực mà các bức xạ điện từ đi qua Điểm khác biệt giữa LIDAR và RADAR nằm ở việc sử dụng các bước sóng khác nhau, RADAR sử dụng các bước sóng lớn hơn 1 cm nằm trong phổ sóng vô tuyến trong khí đó LIDAR sử dụng bước sóng ánh sáng trong phổ cực tím, thị phổ và hồng ngoại [1]

1.1.2 Lược sử về công nghệ LIDAR

Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì không thể không nhắc đến Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2], nhưng sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm 1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4] Sau các thành công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng

4

1.1.3 Hệ thống LIDAR

Một hệ thống LIDAR bao gồm năm phần cơ bản như sau (Hình Error!

No text of specified style in document 1): (1) bộ phân phát tín hiệu laser;

(2) hệ thống quang học truyền tín hiệu; (3) hệ thống quang học nhận tín hiệu; (4) cảm biến; (5) hệ thống điện tử để ghi, xử lý, đánh giá, hiển thị và lưu trữ

1.1.4 Phân loại và ứng dụng của LIDAR

Sự tương tác ánh sáng với các quá trính vật lý trong khí quyển rất đa dạng với nhiều quá trình vật lý khác nhau, do đó các thiết bị LIDAR cũng được xây dựng dựa trên cơ sở này và phục vụ quan trắc các loại đối tượng

5

khác nhau trong khí quyển, các quá trình vật lý và các loại LIDAR quan trắc

các đối tượng tương ứng được mô tả trong Hình Error! No text of specified

style in document 2

Hình Error! No text of specified style in document 2 Các quá trình vật lý,

thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan trắc được [5]

1.1.5 Phương trình LIDAR

Để tính toán được các thông số khí quyển, tín hiệu LIDAR được xử lý

và phân tích bằng phương trình LIDAR Phương trình này thể hiện mối liên

hệ giữa tín hiệu tán xạ ngược trong không gian nhận được bởi cảm biến với các yêu tố khí quyển và hệ thống LIDAR Tín hiệu tại khoảng cách Z được xác định như sau:

Error! No text of specified style in document.-1

6

Trong đó:

: Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z

: Năng lượng xung laser phát đi

: Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển)

: Hệ số tán xạ ngược xon khí : Hệ số tán xạ ngược phân tử

: Độ truyền qua bởi xon khí : Độ truyền qua bởi phân tử

1.1.6 Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR

Nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay trên thế giới đã và đang có nhiều nghiên cứu sử dụng công nghệ LIDAR để quan trắc khí quyển Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì không thể không nhắc đến nghiên cứu của Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2]

Sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm

1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4]

Sau các thành công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng Fernald năm 1972, 1984 và Klett năm 1981 nghiên cứu xây dựng phương pháp điểm biên để tính toán các thông số khí quyển từ số

7

liệu LIDAR [6-8] Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform) [9] Nghiên cứu của Chan năm 2010 đã tính toán hệ số tán xạ ngược – suy hao xon khí cho hệ LIDAR Doppler dựa trên số liệu quang phổ kế [10] Các đặc điểm về độ dày quang học xon khí đã được

đo đạc và tính toán trong nghiên cứu của Porter và cs năm 2002 bằng hệ thống LIDAR di động Mie-Rayleigh được đặt tại Hawaii [11] Ware, Kort và

cs 2016 nghiên cứu các đặc điểm lớp xáo trộn tại Pasadena California bằng thiết bị MPLNET [12] Mei, Guan và cs năm 2017 sử dụng hệ thống LIDAR mie bước sóng 808nm xác định hệ số xuy hao xon khí tại Đại Liên và xem xét

sự tương quan với số liệu PM10 / PM 2.5 và cho kết quả tốt [13] Liu, He và

cs năm 2017 đã xác định AOD và hệ số suy hao xon khí sử dụng LIDAR MPLNET tại Thượng Hải [14]

Nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển hiện chưa được phổ biến và áp dụng rộng rãi, hiện tại mới chỉ dừng lại ở một số nghiên cứu chế tạo, mô phỏng và đo đạc thử nghiệm

Một số nghiên cứu nổi bật như Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2008 đã nghiên cứu về ứng dụng LIDAR trong quan trắc đặc tính mây Ci, nghiên cứu này chỉ ra qua hệ thống LIDAR hai kênh thu, các thông số về mây Ci được xác định bao gồm độ cao chân mây, độ cao đỉnh mây, hệ số tán xạ ngược, hệ

số hấp thụ, độ dày quang học, tỉ lệ phân cực [15] Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2014 đã sử dụng LIDAR trong nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của xon khí tại Việt Nam [16] Phạm Xuân Thành và cs năm 2016 đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng khí quyển lên ảnh vệ tinh, nghiên cứu khẳng định các kết quả thu được về quan trắc xon khí, hơi

8

nước, nhiệt độ là nguồn số liệu hữu ích cho việc nghiên cứu vật lý khí quyển [17] Âu Duy Tuấn và cs năm 2017 đã nghiên cứu mô phỏng tín hiệu đo đạc LIDAR, và so sánh với kết quả đo thực tế và cho thấy có sự phù hợp về tín hiệu mô phỏng và tín hiệu đo đạc tại hệ thống LIDAR IGP [18] Bùi Văn Hải

và cs năm 2012, 2013, Nguyễn Xuân Tuấn và cs năm 2014, 2016 đã nghiên cứu chế tạo hệ thống LIDAR raman sử dụng để đo đạc nhiệt độ, mật độ khí quyển, hệ số suy hao tại tầng đối lưu, tầng bình lưu, lớp biên khí quyển, tỉ số LIDAR [19-22]

Khí quyển và các thông số khí quyển

1.1.7 Cấu trúc của khí quyển

Thành phần của khí quyển

Khí quyển là một lớp khí bao quanh trái đất; 99% khối lượng của khí quyển tập trung ở độ cao dưới 30km và có thành phần rất đa dạng (bảng 1-1)

Bảng Error! No text of specified style in document 1 Thành phần của khí

quyển không bị ô nhiễm [23]

- 9,300

315

18 5.2 1.0-1.2 1.0 0.5 0.5

8.95 x 10 8

2.74 x 10 8

- 1.52 x 10 7

305 17.4 5.0 0,97-1.16 0.97 0.49 0.49

Hình Error! No text of specified style in document 3 Phân tầng khí quyển

theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24]

10

1.1.8 Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển

Bức xạ mặt trời khi truyền qua khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi các loại khí, xon khí, mây, và bề mặt trái đất Phần bức xạ bị hấp thụ được thêm trực tiếp vào trữ lượng nhiệt; mặt khác bức xạ bị tán xạ có một phần quay trở lại không gian và một phần tiếp tục truyền trong khí quyển và tiếp tục bị hấp thụ và tán xạ [1]

Thông thường, mây có tác động lớn nhất đến bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt trái đất do các đặc điểm quang học và đặc tính vật lý của mây như độ che phủ, độ dày mà mây có thể hấp thụ hoặc tán xạ các tia bức xạ mặt trời và ngăn cản bức xạ tới bề mặt trái đất Hơi nước hấp thụ bức xạ mặt trời, lượng hơi nước trong khí quyển biến đổi trong ngày và thay đổi theo mùa, nhiều hơi nước hơn trong mùa ẩm và ít hơi nước hơn trong mùa khô

Các hạt bụi nhỏ lơ lửng trong khí quyển tưởng chừng như vô hại cũng

có tác động tương đối tới bức xạ mặt trời, các hạt này thường được gọi là xon khí, có nguồn gốc từ tự nhiên và cũng có thể do con người sinh ra Chúng tác động tới bức xạ mặt trời dưới dạng hấp thụ và tán xạ bức xạ mặt trời, hoặc qua các quá trình biến đổi và xon khí vai trò làm hạt nhân ngưng kết để tạo mây, mưa

Ozone cũng là một loại xon khí tuy nhiên chúng tồn tại ở lớp khí quyển trên cao, lượng ozone tồn tại trong khí quyển thay đổi thei mùa và theo vĩ độ, ozone có vai trò chính là hấp thụ các bức xạ cực tím có hại cho con người Ngoài ra còn các loại khí khác, như CO2 có tác động hấp thụ các phần bức xạ hồng ngoại của bức xạ mặt trời, nồng độ các khí này thay đổi theo thời gian

và theo vị trí địa lý

11

1.1.9 Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR

Hệ số suy hao

Đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển gây ra bởi

sự hấp thụ và tán xạ Trong khí quyển có hai loại tán xạ chính cần quan tâm là tán xạ gây ra bởi phân tử và tán xạ gây ra bởi xon khí hay các loại hạt lơ lửng trong khí quyển

Tán xạ phân tử hay còn gọi là tán xạ Rayleigh là tán xạ ánh sáng đàn hồi gây ra bởi các phân tử có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, do đó khí quyển Rayleigh được xác định là hầu như không tồn tại xon khí mà chỉ tồn tại các loại phân tử khí như Ô-xy, Ni-tơ … và lớp khí quyển này thường tồn tại ở

độ cao trên 4km

Tán xạ ánh sáng gây ra bởi xon khí hay các hạt có kích thước lớn hơn trong khí quyển được mô tả bởi định luật tán xạ xon khí hay còn gọi là tán xạ Mie Các hạt này có kích thước lớn và đủ để so sánh sới bước sóng ánh sáng

Do đó hệ số suy hao trong khí quyển là đại lượng đặc trưng cho sự suy hao bức xạ mặt trời gây ra bởi phân tử và xon khí

Error! No text of specified style in document.-2

Trong đó:

: Hệ số suy hao tổng cộng

: Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí

: Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử

12

Hệ số tán xạ ngược

Là đại lượng đặc trưng cho cường độ ánh sáng bị tán xạ trong một đơn

vị thể tích theo một đơn vị góc khối Trong nghiên cứu khí quyển bằng LIDAR, hệ số này thường được biết tới là hệ số tán xạ ngược, đặc trưng bởi

sự tán xạ gây ra bởi phân tử và xon khí

Error! No text of specified style in document.-3

Trong đó:

: Hệ số tán xạ ngược tổng cộng

: Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi xon khí

: Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi phân tử

Mối liên hệ giữa hệ số suy hao và hệ số tán xạ gây ra bởi xon khí

Theo nghiên cứu của Klett thì hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược gây

ra bởi xon khí có mối liên hệ với nhau theo hàm mũ như sau:

Error! No text of specified style in document.-4

Với k là hệ số phụ thuộc vào bước sóng và đặc điểm của xon khí, giá trị của nằm trong khoảng [7]

1.1.10 Lớp biên hành tinh

Lớp biên hành tinh (lớp biên khí quyển) là lớp có độ dày 1,5 – 3 km dưới cùng Trong phạm vi lớp này, sự phân bố các yếu tố khí tượng được xác định trực tiếp bởi tác động của mặt trải dưới và chuyển động rối Điều đó thể hiện rõ rệt nhất là phân bố thẳng đứng của vận tốc gió Vận tốc gió luôn bằng

13

không ở mặt trải dưới và tiến tới gió địa chuyển ở lớp trên của lớp biên khí quyển (với điều kiện đẳng áp ngang và các đường đẳng áp thẳng) Đặc tính của sự phân bố thẳng đứng của vận tốc gió giữa hai mưc này được xác định chủ yếu bởi chuyển động rối Chuyển động rối này gây ra sự trao đổi động lượng giữa các lớp khác nhau và làm trơn profile gió

Lớp biên hành tinh có vai trò rất quan trọng trong khí quyển, cung cấp

ẩn nhiệt, hiển nhiệt cho các lớp bên trên và bên dưới nó Các quá trình thời tiết cũng xảy ra ở đây, các vấn đề về ô nhiễm không khí và chất lượng không khí cũng xảy ra ở đây, tác động trực tiếp đến cuộc sống của con người và các

hệ sinh thái bên trong và dưới lớp biên

Xon khí

Trong khoa học khí quyển, xon khí đại diện cho các hạt rắn và lỏng không bao gồm các khí mang Các hạt xon khí có kích thước từ 1 nm cho tới vài trăm µm, có thể lớn cỡ các hạt mây và hạt băng [1]

Bảng Error! No text of specified style in document 2 Đặc tính của một số

Các đặc trưng cơ bản của xon khí: mật độ khối, mật độ khối theo kích thước, mật độ hạt, phân bố kích thước hạt, hình dạng, kích thước hình học, tính chất quang học (độ dày quang học, albedo, hệ số hấp thụ, tán xạ, hàm pha, chiết suất ), đặc điểm bề mặt, thành phần hóa học, nguồn gốc, thời gian tồn tại, đặc điểm quá trình (tất cả các thông số trên biến đổi trong quá trình tồn tại của xon khí) [16]

Trong Bảng Error! No text of specified style in document 2 có liệt

kê một số loại xon khí cơ bản và các đặc trưng của chúng

1.1.12 Độ dày quang học xon khí

Là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển gây ra bởi xon khí

Độ dày quang học xon khí tại một bước sóng bất kỳ được xác định như sau:

15

Error! No text of specified style in document

.-5

Theo một định nghĩa khác thì độ dày quang học xon khí là tích phân

của hệ số suy hao gây ra bởi xon khí từ bề mặt lên tới đỉnh khí quyển, được

xác định bởi công thức:

Error! No text of specified style in document.-6

1.1.13 Các tác động của xon khí

Ảnh hưởng của xon khí tới thời tiết, khí hậu:

Xon khí thường tồn tại trong tầng đối lưu từ một ngày cho tới vài tuần

và có thể tới một năm trong tầng bình lưu, do sự tồn tại này nên xon khí có

tác động nhất định tới các quá trình thời tiết và khí hậu Theo IPCC xon khí

tác động tới thời tiết và khí hậu theo ba cách như sau: (1) Tác động trực tiếp

là quá trình các loại xon khí hấp thụ và tán xạ bức xạ sóng ngắn và bức xạ

sóng dài, do đó làm mất cân bằng cán cân bức xạ của khí quyển trái đất; (2)

Tác động gián tiếp là quá trình các loại xon khí làm thay đổi các quá trình vi

vật lý, bức xạ, lượng mây; (3) Tác động bán trực tiếp là quá trình các loại xon

khí hấp thụ bức xạ sóng ngắn đẫn tới tăng nhiệt độ trong tầng đối lưu, làm

thay đổi độ ẩm và do đó làm thay đổi sự hình thành mây và thơi gian tồn tại

của mây [26]

16

Ảnh hưởng của xon khí tới sức khỏe con người:

Xon khí và các chất ô nhiễm gần đây đã trở thành một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu về ô nhiễm không khí do những ảnh hưởng đáng chú ý của nó đối với sức khoẻ con người

Các nghiên cứu khác nhau về tác động ô nhiễm không khí đối với sức khoẻ đã chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ chất gây ô nhiễm không khí

và các tác động về sức khoẻ [23]

Hiện nay, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển đã và đang được sử dụng thường xuyên, nổi bật với các mạng lưới trạm LIDAR mặt đất như MPLNET, EARLINET, AD-Net, NDACC LIDAR, GALION, hệ thống trạm LIDAR trong không gian như LITE, CALIPSO, ADM Aeolus, EarthCARE Các mạng trạm được liên kết với nhau tạo thành hệ thống quan trắc trải rộng trên mặt đất cũng như không gian phục vụ cho các quan sát, thám sát, nghiên cứu về phân bố, sự dịch chuyển cũng như đặc tính của xon khí trong khí quyển

Các nghiên cứu tích hợp hệ thống LIDAR vào vệ tinh quan sát trái đất cũng được thực hiện với vệ tinh CALIPSO gắn cảm biến LIDAR CALIOP, chức năng chính là quan trắc xon khí và mây trong khí quyển, các số liệu thu thập được như độ cao, độ dày lớp mây, độ dày quang học, loại hạt mây, đặc tính xon khí như prolife, hệ số suy hao do xon khí, các sản phẩm này có độ phân giải cao phục vụ tốt cho các nghiên cứu về khí quyển trên quy mô toàn cầu

17

18

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Số liệu

2.1.1 LIDAR

a Thiết bị LIDAR IGP

LIDAR IGP: Hệ thống LIDAR (Hình Error! No text of specified style

in document 4, Bảng Error! No text of specified style in document 3)

được nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện tại Viện Vật lý địa cầu với mục đích nghiên cứu môi trường khí quyển nói chung và xon khí nói riêng với cấu tạo phần phát là laser Nd-YaG (LOTIS - Belarus) phát ở các bước sóng cơ bản là 1064nm, 532mn, 355nm, 266nm với công suất tối đa tương ứng là 700mJ, 400mJ, 160mJ, 120mJ [18]

19

Hình Error! No text of specified style in document 4 Thiết bị LIDAR IGP

đặt tại Viện Vật lý Địa cầu

Bảng Error! No text of specified style in document 3 Thông số Thiết bị

LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu

20

Độ phân tán của tia (mrad) ≤1.0

Độ bất ổn định năng lượng ±3.0%

Năng lượng bơm Ep (J) ≤ 64

Yêu cầu về nguồn điện (220V ± 20V) (50-60Hz)

Bộ phận thu và hiện sóng

Số lượng kênh tín hiệu số 16

Tốc độ lấy mẫu 5Gs/s trên tất cả các kênh

Tốc độ lấy mẫu sóng cao nhất 35000 mẫu/s

Màn hình hiển thị XGA(1024x768), LCD 10.4‖

Giao diện chuẩn với chế độ đặt

ngưỡng và khởi động đa dạng

USB 2.0, 10/100T-LAN, IEEE488.2 GPIB, XGA video

Kết nối tự động với máy tính có

Lớp phủ quang học Sử dụng công nghệ chân không trong

chế tạo gương (StarBright/XLT)

Phụ kiện là giá đỡ, tài liệu hướng dẫn có

Bộ giá đỡ và gá thiết bị

Quay theo phương thẳng đứng -90o đến 90o

Quay theo phương ngang -180o đến 180 o

21

Thu thập số liệu

Hệ LIDAR IGP là hệ bán tự động, khi bắt đầu một kỳ quan trắc cần phải nhập các thông số thiết lập cho dao động ký bằng phần mềm trên máy

tính (Hình Error! No text of specified style in document 5), bước tiếp theo

là thiết lập các thông số cho laser, thiết lập thông số nguồn nuôi, khuyếch đại cho phận cảm biến, nhập các thông số bên ngoài vào phần mềm, kiểm tra hệ quang học thu và bắt đầu tiến hành quan trắc

Hình Error! No text of specified style in document 5 Phần mềm điều khiển

thống, chi tiết được liệt kê trong Bảng Error! No text of specified style in

document 4