Khảo sát hệ số pwv từ bóng thám không và hệ thống định vị vệ tinh gps

So sánh kết quả PWV của dữ liệu bóng thám không và của dữ liệu GPS có độ lệch nhỏ, dao động trong khoảng -0.9mm 1.2mm, ngoài ra giá trị PWV thay đổi phù hợp với thời tiết thay đổi trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH NGUYỄN ĐỊNH QUỐC

KHẢO SÁT HỆ SỐ PWV TỪ BÓNG THÁM KHÔNG VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, 11/2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQGTP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS TS Đào Xuân Lộc

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Lê Trung Chơn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh, ngày…… tháng…… năm 20…

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu ……

2 PGS TS Đào Xuân Lộc … ……

3 TS Lê Trung Chơn………

4 TS Lương Bảo Bình ………

5 TS Lâm Đạo Nguyên …………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Huỳnh Nguyễn Định Quốc……… MSHV: 11224490 Ngày, tháng, năm sinh: 05/03/1984……….Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ……… Mã số: 60520503

I TÊN ĐỀ TÀI: “Khảo sát hệ số PWV từ bóng thám không và hệ thống định vị

vệ tinh GPS”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thu thập dữ liệu bóng thám không vô tuyến và dữ liệu GPS

Tính hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không và từ dữ liệu GPS

So sánh kết quả PWV của hai hệ thống trên

Rút ra kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/06/2013………

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013………

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN NGỌC LÂU………

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ, em xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp giảng viên của Khoa Trắc địa Bản đồ trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP.HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ

Mặc dù em đã rất cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót hoặc có những phần nghiên cứu chưa sâu Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy, Cô

Em xin trân trọng cám ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2013

Huỳnh Nguyễn Định Quốc

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Lượng hơi nước tích tụ (Precipitable water vapor – PWV) trong khí quyển rất cần thiết trong công tác dự báo thời tiết Việc xác định chỉ số PWV một cách chính xác hiện nay đang là vấn đề được nhiều người quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủy văn Một kỹ thuật mới được phát triển gần đây là dùng tín hiệu GPS để đo hệ số PWV thông qua độ trễ của tín hiệu khi đi qua tầng đối lưu Trong Luận văn này, học viên tiến hành thu thập dữ liệu bóng thám không vô tuyến và dữ liệu GPS Từ dữ liệu bóng thám không tính hệ số hơi nước tích tụ PWV Tính độ trễ đối lưu thiên đỉnh, từ đó tính hệ số hơi nước tích tụ PWV từ dữ liệu GPS Tiến hành kiểm tra trên dữ liệu được cung cấp miễn phí của trạm IGS Áp dụng tính toán hệ số PWV cho dữ liệu GPS của trạm khảo sát tại TP.HCM và phân tích mối quan hệ của nó với thời tiết diễn ra trong ngày So sánh kết quả PWV của dữ liệu bóng thám không và của dữ liệu GPS có độ lệch nhỏ, dao động trong khoảng -0.9mm 1.2mm, ngoài ra giá trị PWV thay đổi phù hợp với thời tiết thay đổi trong ngày, từ đó đề xuất phương pháp mới xác định hệ số hơi nước tích tụ bằng công nghệ GPS trong lĩnh vực khí tượng thủy văn

MỤC LỤC

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

1.2.1 Máy phóng xạ kế hơi nước – Water vapor Radiometer (WVR) 3

1.2.2 Hệ thống đo khí tượng ngay tại bề mặt Trái đất 4

1.2.3 Hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí cầu 5

1.2.4 Hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất (Ground based remote sensers) 5

1.2.5 Hệ thống đo khí tượng bằng bóng thám không vô tuyến 6

1.2.6 Hệ thống đo khí tượng bằng vệ tinh GPS 7

1.3 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 9

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 9

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 9

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 10

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 10

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 10

Chương 2: TỔNG QUAN 11

2.1 SỬ DỤNG BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG TẠI VIỆT NAM 12

2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 13

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 13

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 17

Chương 3: KIẾN THỨC CƠ SỞ 20

3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN 21

3.1.1 Khái niệm bóng thám không vô tuyến 21

3.1.2 Bóng thời tiết 22

3.1.3 Thiết bị thám không vô tuyến 24

3.2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HƠI NƯỚC PWV TỪ DỮ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN 28

3.2.1 Thuật toán xác định hệ số PWV của Y Liu [10] 28

3.2.2 Thuật toán xác định hệ số PWV của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời Tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17] 31

3.2.3 Ảnh hưởng của sai số trị đo khí tượng lên hệ số PWV tính từ bóng thám không vô tuyến 32

3.3 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HƠI NƯỚC TÍCH TỤ PWV TỪ DỮ LIỆU ĐO GNSS 34

3.3.1 Phương pháp xác định độ trễ đối lưu thiên đỉnh TZD 37

3.3.1.1 Thiết lập trị đo tổ hợp L3 39

3.3.1.2 Lấy hiệu trị đo tổ hợp L3 giữa 2 vệ tinh và một máy thu 40

3.3.1.3 Sản phẩm của tổ chức IGS 40

3.3.1.4 Hiện tượng đa đường 41

3.3.1.5 Bộ lọc Kalman Filter 42

a Giới thiệu về bộ lọc Kalman 42

b Công thức Kalman 43

c Tóm tắt các công thức Kalman 49

3.3.2 Thuật toán tính độ trễ đối lưu thiên đỉnh 50

3.3.3 Mô hình độ trễ đối lưu cho thành phần khô ZHD 54

3.3.4 Ước tính độ chính xác của hệ số PWV 56

Chương 4: THU THẬP DỮ LIỆU, XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58

4.1 THU THẬP DỮ LIỆU ĐO THỰC TẾ BẰNG BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN TỪ TRẠM QUAN TRẮC CAO KHÔNG TÂN SƠN 59

4.1.1 Phần mềm DigiCORA 62

a Cửa sổ Sounding Control 64

b Cửa sổ Radio 65

c Cửa sổ hiển thị số liệu thô PTU (Raw PTU) 65

d Cửa sổ Sonde Trajectory (Quỹ đạo máy thám không) 66

e Cửa sổ trạng thái GPS 67

4.1.2 Phần mềm Metgraph 68

a Đồ thị Metgraph 68

b Đồ thị Hodograph 69

c Đồ thị nhiệt động lực (Thermodynamic) 69

4.2 THỜI GIAN THU THẬP DỮ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN.70 4.3 THU THẬP DỮ LIỆU ĐO THỰC TẾ TỪ TRẠM ĐO GPS 71

4.4 MÔ TẢ DỮ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG VÀ DỮ LIỆU GPS 73

4.5 XỬ LÝ DỮ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN TỪ TRẠM QUAN TRẮC CAO KHÔNG TÂN SƠN HÒA - TP.HCM 76

4.5.1 Giới thiệu chương trình tính hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến 76

4.5.2 Kết quả tính hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến 78

4.6 XỬ LÝ DỮ LIỆU TỪ TRẠM ĐO GPS 86

4.6.1 Giới thiệu chương trình tính hệ số PWV từ dữ liệu GPS 86

4.6.2 Kiểm tra thuật toán trên dữ liệu trạm IGS quốc tế 88

a Vị trí trạm IGS dùng để kiểm tra thuật toán 88

b Giới thiệu sơ lược sản phẩm IGS 90

c Kết quả 93

4.6.3 Kết quả xử lý dữ liệu từ trạm đo GPS (Việt Nam) 96

4.7 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 103

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

5.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐẠT ĐƯỢC 110

5.2 KHÓ KHĂN VÀ HẠN CHẾ 111

5.3 KIẾN NGHỊ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Lượng hơi nước tích tụ (Precipitable water vapor – PWV) trong khí quyển rất cần thiết trong công tác dự báo thời tiết Việc xác định chỉ số PWV một cách chính xác hiện nay đang là vấn đề được nhiều người quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủy văn Hơi nước khí quyển là một thành phần quan trọng trong sự hình thành của mây, mưa và thời tiết khắc nghiệt Vì vậy, việc xác định chỉ số PWV là một mục tiêu cơ bản của khí tượng học Để xác định PWV, có nhiều hệ thống đo các tham số khí tượng, chẳng hạn dùng hệ thống bóng thám không vô tuyến, hệ thống đo khí tượng ngay tại bề mặt Trái Đất, hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất (Ground-based remote sensors), hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí cầu (aircraft), hệ thống đo khí tượng bằng vệ tinh GNSS… Một kỹ thuật mới được phát triển gần đây là dùng tín hiệu GPS để đo hệ số PWV thông qua độ trễ của tín hiệu khi

đi qua tầng đối lưu Dựa vào dữ liệu bóng thám không vô tuyến để xác định hệ số PWV thông qua các tham số nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối ….của tầng đối lưu Ngoài ra, sử dụng dữ liệu GPS cũng tính toán được hệ số PWV Từ hai kết quả nhận được từ hai hệ thống trên có thể đưa ra hướng nghiên cứu trong ngành khí tượng về việc sử dụng hệ thống định vị GPS trong lĩnh vực dự báo thời tiết tại Việt Nam Trên

cơ sở đó, cung cấp cho các nhà dự báo thời tiết một công cụ mới về việc xác định các yếu tố khí tượng thủy văn

Đề tài luận văn của học viên sẽ tập trung vào việc tính toán hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến, đồng thời tính hệ số PWV từ dữ liệu GPS trong cùng khoảng thời gian thả bóng thám không vô tuyến, từ đó so sánh độ lệch giữa hai hệ thống này

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

PWV là lượng hơi nước tại một điểm trên bề mặt trái đất được biểu diễn là độ cao của một cột chất lỏng tương đương Giá trị này có thể được dùng trong việc dự báo sự biến đổi khí hậu và nghiên cứu thời tiết Sự thay đổi lớn một lượng hơi nước trong không khí cần được theo dõi để giúp phát hiện và dự đoán sự thay đổi khí hậu của trái đất

Hơi nước là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính trên hành tinh, nên nó cần phải được đo chính xác trên toàn cầu Để thực hiện việc dự báo chính xác trong lĩnh vực khí tượng, việc đo lường chính xác chỉ số hơi nước trong khí quyển là cần thiết và đang được các nước quan tâm

Hiện nay để giám sát hơi nước trong tầng đối lưu của khí quyển Trái Đất hiện nay có nhiều hệ thống đang được sử dụng trên thế giới Mỗi hệ thống đều có ưu, nhược điểm khác nhau Tuy nhiên, tùy theo độ chính xác và tùy theo từng yêu cầu cụ thể mà có thể sử dụng hệ thống giám sát hợp lý

Hình 1.1: Một số hệ thống khác nhau trên mặt đất hoặc trên không giám sát hơi nước

Một số hệ thống giám sát hơi nước hiện nay đang được sử dụng trên toàn thế giới được thể hiện hình 1.1 Chúng ta sẽ phân tích lần lượt từng hệ thống giám sát hơi nước hiện nay đang sử dụng

1.2.1 Máy phóng xạ kế hơi nước - Water Vapour Radiometer (WVR): là thiết bị

đo nhiệt độ của bầu khí quyển trên hai kênh ở tần số 23.8GHz và 31.5GHz đặc trưng của hơi nước và nước lỏng như hình 1.2 Hơi nước tích tụ PWV, độ trễ ướt thiên đỉnh

Đại dương

Raman Lidar

Vệ tinh GPS Máy thu GPS

Đo khí tượng bằng kinh khí cầu

Vệ tinh địa tĩnh

ZWD (Zenith Wet Delay) và độ trễ tổng theo phương thiên đỉnh ZTD (Zenith Total Delay)

có thể đo được từ nhiệt độ của bầu khí quyển khi sử dụng phương pháp chuyển đổi phóng xạ Một thiết bị logger dùng để đo bức xạ và cung cấp các yếu tố khí tượng như

áp suất, nhiệt độ và độ ẩm Thiết bị WVR đo được cả lượng nước trong mây Tuy nhiên, do thiết bị WVR có trọng lượng lớn nên không thể di chuyển được Ngoài ra, thiết bị WVR hoạt động bị giới hạn bởi độ bao phủ nghèo nàn, đồng thời hoạt động

không ổn định dưới trời mưa lớn

Hình 1.2: Thiết bị Phóng xạ kế hơi nước WVR

1.2.2 Hệ thống đo khí tượng ngay tại bề mặt Trái Đất: gồm các trạm quan trắc

khí tượng trên bề mặt Trái Đất, dựa vào điều kiện địa hình mà các trạm quan trắc được bố trí trên khắp lãnh thổ, thông thường trong vòng bán kính 100km sẽ có một trạm quan trắc khí tượng bề mặt Dụng cụ được sử dụng đo các thông số khí tượng là các bầu đo độ ẩm khô, ướt và ẩm kế điểm sương Nguồn dữ liệu khí tượng bề mặt trên toàn cầu được tập hợp trong thời gian dài có độ tin cậy cao Thông thường các trạm quan trắc khí tượng bề mặt được thực hiện ít nhất mỗi ngày hai lần và liên tục theo từng ngày Do các yếu tố khí tượng càng lên cao càng thay đổi, nhưng các trạm khí tượng mặt đất chỉ thu thập dữ liệu ngay tại bề mặt dưới 5m, vì vậy các yếu tố khí tượng cao trên 5m thì các trạm đo không chính xác Do đó dữ liệu khí tượng của các

trạm mặt đất chỉ cung cấp các yếu tố khí tượng như hướng gió, độ ẩm, nhiệt độ bề mặt

áp suất… chính xác ngay tại bề mặt dưới độ cao 5m

1.2.3 Hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí cầu: Thiết bị đo khí tượng được

lắp trên máy bay nghiên cứu, máy bay thương mại hoặc kinh khí cầu như hình 1.1 Các dụng cụ đo khí tượng gồm các ẩm kế điểm sương và cảm biến điện dung Sử dụng máy bay nghiên cứu hay thương mại hoặc kinh khí cầu có thể đo khí tượng ở vị trí tại thời điểm bất kỳ, cung cấp dữ liệu tại nhiều vị trí trên thế giới tốt hơn các thiết

bị khác Tuy nhiên, việc đo đạc bằng máy bay, kinh khí cầu… rất tốn kém, chi phí lớn, do đó việc thu thập dữ liệu khí tượng bị hạn chế Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị như máy bay thương mại, kinh khí cầu không được triển khai rộng rãi trong dân sự

1.2.4 Hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất (Ground-based remote sensors): Là công cụ đo không khí trên bề mặt Trái đất như

hình 1.3 Các bộ phận cảm biến khác nhau được sử dụng trong khí tượng mà chủ yếu

là sử dụng bức xạ điện từ hoặc sóng âm Bức xạ cảm biến được tạo ra và người nhận

ở mặt đất quan sát số lượng bức xạ tán xạ hoặc phản ánh trong bầu khí quyển Kết hợp với các công cụ khác, chẳng hạn như điện toán đám mây radar, sodar (một công

cụ khí tượng sử dụng hướng gió để đo sự tán xạ của sóng âm bởi sự nhiễu loạn khí quyển) có thể đưa ra một thông tin toàn diện của khí quyển Do đó, hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất cung cấp dữ liệu chất lượng cao Bên cạnh việc cung cấp dữ liệu thì giá thành cũng là một yếu tố cần phải xem xét Ngoài yếu tố giá thành của hệ thống đắt tiền, còn đòi hỏi người vận hành hệ thống phải có chuyên môn Tuy nhiên, lúc mặt trời mọc và mặt trời lặn và trong điều kiện trời nhiều mây thì hệ thống bị hạn chế, dữ liệu thu thập không chính xác

Hình 1.3: Hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất

1.2.5 Hệ thống đo khí tượng bằng bóng thám không vô tuyến: Sử dụng quả bóng

thời tiết (bên trong được bơm đầy khí Hydro hoặc Heli) để đưa thiết bị thám không vô tuyến chứa các senser đo độ ẩm, nhiệt độ, áp suất,… lên độ cao xấp xỉ 30km trong khí quyển như hình 1.1 và hình 1.4 Trong quá trình bay lên của quả bóng thời tiết, thiết bị thám không vô tuyến vừa thu dữ liệu trong khí quyển và vừa truyền dữ liệu xuống trạm thu trên mặt đất

Hình 1.4: Bóng thám không tại trạm Tân Sơn Hòa - Tp.HCM

Việc quan sát các hệ số khí tượng trong khí quyển tương đối dễ dàng Phương pháp này được sử dụng từ 1930, vì vậy toàn bộ dữ liệu thu thập trong thời gian dài vẫn được sử dụng tham khảo Mạng lưới toàn cầu của khoảng 800 trạm thực hiện ít

nhất 2 “giám sát” mỗi ngày tại một trạm, tuy nhiên có thể tăng số lượng “giám sát” trong ngày khi có nhu cầu đặc biệt Dữ liệu được thu thập ở tầng đối lưu có độ tin cậy cao hơn dữ liệu thu ở tầng bình lưu Tại Việt Nam, chỉ có 3 trạm thả bóng thám không

vô tuyến, chỉ “giám sát” 2 lần trong 1 ngày Dữ liệu chỉ thu được khi quả bóng thời tiết vẫn còn tồn tại trên bầu trời, và việc truyền dữ liệu sẽ “tắt” khi quả bóng nổ Chất lượng quan sát cũng kém tại những nơi có độ ẩm cao và thấp Sự khác biệt về thiết bị cũng như cách sử dụng thiết bị giữa các quốc gia, đồng thời thiết bị được thay đổi theo thời gian, làm cho sự giải thích dữ liệu thu thập và lưu trữ gặp khó khăn Bóng thám không vô tuyến phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nếu như thời tiết có gió lớn, giông bão thì số liệu thu nhận sẽ không đáng tin cậy Ngoài ra, giá thiết bị thám không

vô tuyến đắt nên để có được dữ liệu thì chi phí bỏ ra rất lớn Vì vậy, việc thả bóng không được thực hiện “thường xuyên” tại các trạm, mà chỉ thả 2 lần trên một ngày,

lúc 00.00h UTC và lúc 12.00h UTC để thu dữ liệu (tại Việt Nam), nên dữ liệu phụ

thuộc vào số lần thả bóng thám không

1.2.6 Hệ thống đo khí tượng bằng vệ tinh GPS: Bên cạnh việc sử dụng hệ thống

định vị vệ tinh GPS để đo đạc trong lĩnh vực trắc địa, một kỹ thuật mới được phát triển gần đây là dùng tín hiệu GPS để xác định hệ số hơi nước tích tụ PWV thông qua

độ trễ của tín hiệu đi qua tầng đối lưu Đây cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng và được nhiều nước trên thế giới quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, nhất là trong ngành dự báo thời tiết Hệ thống đo khí tượng bằng vệ tinh GPS cung cấp lượng hơi nước tích tụ trong khí quyển và một số thông tin trên diện rộng, cung cấp dữ liệu hơi nước trên các khu vực lớn và không chịu ảnh hưởng lớn bởi những đám mây Dữ liệu độ ẩm toàn cầu trong tầng bình lưu và ở trên tầng đối lưu thu được rất tốt Độ chính xác và độ phân giải theo chiều dọc cao Hiện tại, việc thăm dò hơi nước toàn cầu bằng vệ tinh GPS được quan tâm ở các nước trên thế giới Tuy nhiên, dữ liệu thu thập không chính xác trong những khu vực nhiều mây Dữ liệu bị giới hạn ở các vùng đại dương bị đóng băng, vùng phủ sóng bị hạn chế bởi các đám mây, việc thu dữ liệu

ở các vùng nhiệt đới bị hạn chế Việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS trong lĩnh vực khí tượng mới đối với nước ta nên đây cũng là hướng có tiềm năng để nghiên cứu

Trong đề tài luận văn này, học viên tập trung vào việc xác định hệ số hơi nước PWV tính từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến và từ dữ liệu GPS Việc xác định hệ

số hơi nước tích tụ PWV từ dữ liệu thám không vô tuyến thông qua các hệ số nhiệt

độ, độ ẩm, áp suất và từ dữ liệu đo GPS, so sánh độ lệch của hệ số PWV giữa hai hệ thống trên Từ kết quả nhận được sẽ cho chúng ta kết luận tốt hơn về việc có thể sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS để giám sát các yếu tố khí tượng dùng trong lĩnh vực dự báo thời tiết, qua đó có thể mở ra khả năng hợp tác giữa hai lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ và Khí tượng - Thủy văn trong việc nghiên cứu xác định độ ẩm không khí trong tầng đối lưu Đây cũng chính là hướng tiếp cận mà nội dung đề cương luận văn này muốn trình bày

1.3 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này sẽ xoay quanh vấn đề thu thập số liệu từ hai nguồn dữ liệu bóng thám không vô tuyến và GPS, sau đó dựa vào thuật toán của Y Liu [10] cùng thuật toán của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (National Weather Service Weather Forecast Office) [17] để tính hệ số hơi nước PWV của bóng thám không , và thuật toán tính hệ số PWV từ dữ liệu đo GPS, từ đó so sánh độ lệch giữa hai hệ thống này thông qua chỉ số hơi nước tích tụ PWV Dựa vào kết quả này để có thể đưa ra kết luận việc bổ sung thêm một phương pháp mới trong lĩnh vực khí tượng để dự báo thời tiết

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Số liệu thu thập trực tiếp ngoài thực địa của hệ thống định vị vệ tinh GPS và số liệu quan trắc khí tượng của bóng thám không vô tuyến tại trạm Tân Sơn Hòa - Tp.HCM trong 2 đợt:

 Đợt 1: từ ngày 16/01/2013 đến ngày 17/01/2013

 Đợt 2: từ ngày 18/09/2013 đến ngày 20/09/2013

Song song với việc đo dữ liệu GPS, phải chọn thời điểm trùng với thời gian thả bóng thám không vô tuyến, sao cho thời gian GPS chứa thời gian bắt đầu thả bóng đến khi thời gian kết thúc của bóng trong khí quyển (bóng nổ)

Tính chỉ số hơi nước tích tụ (PWV) dựa vào thuật toán của Y Liu [10]; thuật toán của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (National Weather Service Weather Forecast Office) [17] thông qua dữ liệu thu thập từ bóng thám không tại trạm Tân Sơn Hòa Tp.HCM

Tính chỉ số hơi nước tích tụ (PWV) dựa vào các số liệu thu thập trực tiếp ngoài thực địa từ máy thu GPS 2 tần số của Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM trong 2 đợt được đặt gần vị trí thả bóng thám không để yếu tố khí quyển không thay đổi

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Hướng đề tài sẽ mở ra hướng mới trong lĩnh vực Khí tượng - Thủy văn, góp phần vào việc dự đoán thời tiết bằng hệ thống định vị GPS bên cạnh phương pháp truyền thống sử dụng bóng thám không vô tuyến Ngoài ra, đề tài sẽ là động lực cho các quá trình mở rộng thêm các ý tưởng liên quan sau này về lĩnh vực khí tượng bằng việc sử dụng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS

Mặt khác, nội dung đề tài này có thể đóng góp vào danh mục các tài liệu tham khảo chuyên ngành cho lĩnh vực Trắc địa và khí tượng thủy văn

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả khả quan của đề tài này sẽ góp phần vào việc ứng dụng hệ thống định vị GPS vào các lĩnh vực khác như ngành khí tượng, thủy văn Đồng thời có thể kết hợp giữa công nghệ truyền thống đo chỉ số hơi nước PWV bằng phương pháp bóng thám không vô tuyến và công nghệ hiện đại bằng định vị vệ tinh GPS

Trong lĩnh vực dự báo thời tiết, sử dụng phương pháp định vị vệ tinh GPS sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí, kinh phí đầu tư chỉ có có 01 lần

Sử dụng phương pháp định vị vệ tinh GPS sẽ cung cấp cho ta số liệu liên tục bất

kể ngày đêm, bất kể điều kiện thời tiết xấu

Tóm lại, bên cạnh ý nghĩa khoa học còn có ý nghĩa thực tiễn, vì vậy việc khảo sát chỉ số hơi nước tích tụ PWV bằng cả công nghệ truyển thống lẫn hiện đại là cần thiết Từ đó so sánh kết quả nhận được từ hai phương pháp trên, làm căn cứ để xem xét và đề xuất việc ứng dụng công nghệ định vị GPS vào trong lĩnh vực khí tượng thủy văn và dự báo thời tiết

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 SỬ DỤNG BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG TẠI VIỆT NAM

Khí tượng học là ngành khoa học nghiên cứu về khí quyển nhằm chủ yếu để theo dõi và dự báo thời tiết Những biểu hiện thời tiết là những sự kiện thời tiết quan sát được và giải thích được bằng khí tượng học Những sự kiện đó phụ thuộc vào các tham số của khí quyển Trái Đất Các tham số này bao gồm nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… cũng như các biến thiên và tác động tương hỗ của các tham số này và những biến đổi theo thời gian và không gian của chúng Phần lớn các quan sát về thời tiết được theo dõi ở tầng đối lưu

Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) số liệu quan trắc qua hệ thống thám không vô tuyến được xem là chính xác và ổn định nhất so với hệ thống đo đạc khí tượng hiện có Các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, hướng gió, tốc độ gió mà trạm thám không đo được không chỉ phục vụ dự báo thời tiết Đó còn là số liệu đầu vào quan trọng cho ngành hàng không và đánh giá mức độ ô nhiễm trong không khí Hiện nay, mạng lưới bóng thám không ở Việt Nam gồm 5 trạm thường trực: Điện Biên, Hà Nội, Vinh, Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh Tuy nhiên trong 5 trạm này chỉ còn 3 trạm vẫn hoạt động thường xuyên liên tục thả 2 lần/ngày là Hà Nội, Đà Nẵng

và TP Hồ Chí Minh, 2 trạm còn lại chỉ thả khi có nhu cầu khảo sát về sự thay đổi khí hậu do chuyên viên của Khí Tượng Thủy Văn yêu cầu mới thả Nhà nước có chủ trương sẽ xây dựng thêm 3 trạm đặt tại đảo Bạch Long Vĩ, Nha Trang và Cà Mau Hiện toàn bộ số liệu của các trạm thám không vô tuyến đều được truyền trực tiếp về Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương Từ đây, số liệu được phân tích,

xử lý rồi đưa lại các Đài Khí tượng Thủy văn các khu vực để phục vụ dự báo tác nghiệp

Với kinh phí hoạt động được đầu tư lớn, chi phí cho một lần thả bóng quan trắc khoảng 10 triệu đồng Với bán kính đo phủ 250-300km trên đất liền và 300-500km trên biển, hệ thống 8 trạm bóng thám không trong tương lai sẽ đáp ứng cơ bản yêu cầu Khi đó, các trạm tại Hà Nội, Điện Biên, Vinh, Bạch Long Vĩ cùng số liệu từ trạm Hải Nam (Trung Quốc) sẽ tạo thành một mạng lưới ở miền Bắc; miền Trung có Đà Nẵng và Nha Trang, miền Nam có TP Hồ Chí Minh, Cà Mau Cùng với 12 trạm đo

gió, hệ thống này đảm bảo cung cấp các số liệu trên không Như vậy, hệ thống quan trắc khí tượng bằng bóng thám không ở Việt Nam tương đối đáp ứng nhu cầu về khí tượng thời tiết Tuy nhiên, việc vận hành hệ thống này vẫn tốn nhiều kinh phí

Hiện nay, có nhiều tác giả đã và đang quan tâm đến lĩnh vực khai thác kỹ thuật mới sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng thủy văn Đây là hướng tiềm năng mở ra một thiết bị mới, một phương pháp mới cung cấp

hệ số hơi nước tích tụ PWV bên cạnh việc sử dụng hệ thống bóng thám không vô tuyến và các hệ thống đo khí tượng khác

2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Bên cạnh việc sử dụng hệ thống bóng thám không đo đạc hệ số hơi nước tích tụ PWV dùng để dự báo thời tiết trong lĩnh vực khí tượng, thì việc sử dụng hệ thống định vị GPS đo độ trễ tín hiệu tầng đối lưu để tính ra hệ số PWV cũng được quan tâm tại nhiều nước trên thế giới hiện nay

Theo tài liệu [10], việc xác định hệ số hơi nước PWV là một trong những đối tượng cơ bản của GPS về khí tượng Hệ số PWV được tính toán từ dữ liệu bóng thám không được dùng làm số liệu gốc để tham khảo đến hệ số PWV từ GPS Vậy thì sai số của PWV từ bóng thám không là bao nhiêu để làm giá trị tham khảo Trong bài báo này, tác giả đã phân tích hai nguồn sai số trong việc xác định hệ số PWV khi sử dụng

dữ liệu 50 ngày của bóng thám không ở Hồng Kông Tác giả ước tính sai số xấp xỉ

0.5 mm

 và sai số tính toán PWV là  1.2mm Sai số tổng cộng của hệ số PWV từ dữ

liệu bóng thám không khoảng  1.3mm Vì vậy, sai số  PWV  1.3mm trong nghiên cứu

này cho ta một khả năng để đánh giá sai số PWV thu được từ GPS trong hoạt động đo đạc khí tượng bằng GPS

Theo [11], so sánh giữa hai kết quả PWV nhận được từ dữ liệu bóng thám

không và từ mạng lưới GPS ở Ấn Độ, thì sai số chỉ có 2mm Kết hợp giữa bóng thám không và GPS cho sai số từ 0.7  3 mm với độ lệch chuẩn 2.4  4.5 mm, qua đó

góp phần lớn trong việc ước tính hệ số PWV cho bóng thám không thể hiện ở bảng

2.1 Điều này cũng nói lên việc sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS để tính toán

hệ số PWV cho kết quả đáng tin cậy

Bảng 2.1: Bảng so sánh sai số và độ lệch chuẩn giữa các phương pháp GPS, bóng

thám không (tham khảo từ [11])

Theo [12], tác giả bài báo nghiên cứu hơi nước tại Westford - Mỹ, được thiết kế

để đo sự thay đổi của tổng hơi nước ngưng tụ theo không gian và thời gian bằng các phương pháp khác nhau như dùng máy thám không được thả từ 2 đến 3 lần trên ngày, máy đo bức xạ hơi nước (Water vapor Radiometer) và 11 máy thu GPS được bố trí trên một vùng có bán kính 25 km quanh trạm đo Haystack ở Westford, MA Sử dụng kết quả của việc đo hơi nước tích tụ bằng bóng thám không tại trạm Haystack để so sánh với những kết quả các phương pháp khác xác định hơi nước từ vị trí gần với vị

trí trạm đo bóng thám không có sai số khoảng 1-5 mm Nguồn gốc sai số trên là do có

sự khác biệt về vị trí địa lý và thuật toán xử lý Sự khác nhau trong việc xác định hệ

số PWV từ GPS phụ thuộc vào độ cao, không liên quan đến loại anten và máy thu GPS, phù hợp với những ảnh hưởng của sự tán xạ bề mặt trong các phép đo trắc địa GPS và chỉ ra rằng việc nâng anten GPS nên được xem xét trong việc thiết kế các hệ thống khảo sát chỉ số hơi nước dựa vào GPS

Trong bài báo [12], tác giả so sánh giữa bóng thám không, phóng xạ kế hơi nước (water vapor radiometer), giao thoa đường đáy dài (very long baseline interferometry (VLBI)), và GPS Trong đó, giá trị chênh lệch trung bình giữa bóng thám không và GPS là 2mm với độ lệch chuẩn là 2mm như bảng 2.2 Dựa vào kết quả trên, hệ số PWV tính từ bóng thám không và từ GPS gần như tương đương nhau Điều đó chứng

tỏ GPS có thể dùng để đo các tham số khí tượng chính xác như các hệ thống đo khí tượng khác

Ave Diff In ZWD (mm)

Std Dev In Diff

Of ZWD (mm) WVR - GPS 6 (1 PWV) 9 (1.5 PWV) GPS - Radiosonde 12 (2 PWV) 14 (2PWV) WVR - Radiosonde 18 (3 PWV) 13 (2 PWV) VLBI - GPS 8 (1.5 PWV) 10 (1.5 PWV) VLBI - WVR 3 (0.5 PWV) 9 (1.5 PWV) VLBI - Radiosonde 24 (PWV) 11 (2 PWV)

Bảng 2.2: Giá trị chênh lệch trung bình và độ lệch chuẩn trong ước tính PWV từ

bóng thám không, phóng xạ kế hơi nước (water vapor radiosonde), giao thoa đường đáy dài (VLBI), và GPS (tham khảo từ [12])

Theo bài báo [22], tác giả đã chọn ba trạm GPS ở gần trạm thám không là các trạm SKCH, JEJU và SUWN và hai trạm IGS là SUWN và DAEJ tại Hàn Quốc Việc lựa chọn số trạm GPS hạn chế do phải xét khoảng cách ngang giữa các trạm GPS và trạm bóng thám không Giá trị PWV nhận được từ GPS phù hợp với sản phẩm IGS cung cấp là -0.27mm và độ lệch chuẩn là 0.78mm Tác giả so sánh giá trị PWV từ dữ liệu của 3 trạm GPS với dữ liệu bóng thám không có độ lệch dao động trong khoảng

từ 1.06mm – 1.86mm, độ lệch trung bình khoảng 1.5mm với độ lệch chuẩn là 2.45mm

Gần đây nhất là bài báo [13] so sánh hệ số hơi nước PWV giữa bóng thám không

và GPS của nhóm đồng tác giả Kazutoshi Sato, Toshitaka Tsuda, Susilo, và Timbul Manik Nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm sử dụng bốn máy thu GPS khảo sát gần Jakarta, Indonesia, từ ngày 27 tháng 7 đến ngày 1 tháng 8 năm 2010 Bên cạnh đó, việc thả bóng cũng thực hiện trong khoảng thời gian đo GPS Hệ số PWV tính từ GPS tại bốn trạm thường cho kết quả ổn định với độ lệch trong khoảng 5-10mm Hệ số PWV từ GPS có kết quả rất phù hợp rất tốt với hệ số PWV khi tính từ radiosonde Lượng mưa xảy ra nghiêm trọng vào ngày 28 tháng 7, trùng hợp với sự thay đổi giá trị của GPS-PWV như hình 2.1

Hình 2.1: Biểu đồ so sánh hệ số PWV giữa 4 trạm GPS với bóng thám không ở

Jakarta, Indonesia [13] và lượng mưa trong ngày 28/7

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo tài liệu tham khảo [2], hệ số PWV được xác định bằng hai phương pháp độc lập, phương pháp xử lý tuyệt đối (một trạm đo, không thời gian thực) và phương

pháp xử lý tương đối (hai trạm đo, thời gian thực với giới hạn chiều dài cạnh đáy từ

100 - 200km) được xử lý bằng phần mềm GUST (Nguyễn Ngọc Lâu) dựa vào số liệu GPS của lưới Châu Á – Thái Bình Dương tại Việt Nam Kết quả nhận được tương đối phù hợp với kết quả thu được từ ảnh vệ tinh MODIS từ 3 - 5cm Đồng thời giá trị PWV cũng phù hợp với kết quả tính được từ số liệu các trạm đo IGS trong khoảng 1cm

Bên cạnh đó, bài báo [5] cũng cho thấy việc ứng dụng GPS xác định PWV tại Việt Nam, tác giả cũng xử lý một baseline dài khoảng 933km nằm giữa một trạm IGS WUHN tại Vũ Hán và trạm DON1 bằng phần mềm GUST Kết quả PWV tại trạm DON1 được thể hiện qua hình sau:

Hình 2.2: Kết quả PWV tại trạm DON1 được thể hiện trong [5]

Kết quả hệ số PWV từ thực nghiệm đo GPS cũng tương tự như hệ số PWV từ việc đo các hệ số áp suất, độ ẩm, nhiệt độ tại trạm DON1 Từ đó sẽ mở ra khả năng hợp tác giữa hai lĩnh vực Trắc địa và Khí tượng trong việc nghiên cứu xác định độ ẩm không khí trong tầng đối lưu nhờ dữ liệu đo GPS

Theo bài báo [8], tác giả cho thấy việc xác định độ trễ đối lưu từ trị đo pha GPS bằng hai phương pháp: định vị tuyệt đối và định vị tương đối Tuy nhiên, tác giả cũng

sử dụng phương pháp định vị tuyệt đối vì mô hình đơn giản hơn phương pháp định vị tương đối do có số ẩn và số trị đo ít hơn Ngoài ra, tác giả đã cho thấy rõ hơn việc xác định hệ số PWV từ hệ thống định vị vệ tinh GPS bằng phương pháp định vị tuyệt đối

có ưu, khuyết điểm như sau:

- Ưu điểm: Chỉ cần 1 máy thu nên sẽ cho kết quả tuyệt đối Song song đó, việc

sử dụng sản phẩm của tổ chức IGS cung cấp chính xác tọa độ vệ tinh và sai số đồng

hồ vệ tinh Phương trình có số lượng ẩn ít việc giải nghiệm đơn giản hơn phương pháp tương đối Ngoài ra, hàm ánh xạ chuyển đổi từ độ trễ đối lưu bất kỳ sang độ trễ đối lưu thiện đỉnh cho kết quả chính xác

- Khuyết điểm: Không loại trừ được sai số đồng hồ vệ tinh và ảnh hưởng của quỹ

đạo nhiễu Mặt khác không giải được tham số đa trị

Vì vậy để khắc phục nhược điểm của phương pháp tuyệt đối, học viên sử dụng phương pháp hiệu đơn giữa hai vệ tinh và một máy thu để loại bỏ sai số đồng hồ máy thu; sử dụng phương pháp trị đo L3để loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly; ngoài ra

còn sử dụng bộ lọc Kalman Filter làm thuật toán xác định độ trễ đối lưu

Tác giả sử dụng chương trình tính PWV để chạy tập dữ liệu đo GPS của mạng lưới Châu Á – Thái Bình Dương từ ngày 23 đến 29/9/2007 được kết quả như hình 2.3

Hình 2.3 PWV tại trạm đo NT01, N00, QT01 và Kunm

Giá trị PWV tại 3 trạm đo NT01, N00, QT01 tương đối đồng dạng Tuy nhiên trong ngày 23, 24-09-2007 giá trị PWV của trạm NT01 và N00 tăng đột biến do ảnh hưởng của cơn bão ảnh hưởng đến các trạm làm cho độ ẩm tăng cao, điều này phù hợp với giá trị PWV

Qua các bài báo trong và ngoài nước cho thấy việc sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS để xác định hệ số PWV có kết quả gần tương đồng với việc đo các thông số

từ khí tượng để tính ra hệ số hơi nước PWV Vì vậy, trong đề tài luận văn này học viên sẽ trình bày về việc thu thập dữ liệu các hệ số khí tượng bằng phương pháp bóng thám không tại trạm cao không Tân Sơn Hòa, Tp.HCM và việc tính toán hệ số PWV

từ các trị đo khí tượng thu được Bên cạnh đó, phương pháp định vị tuyệt đối được sử dụng để tính toán hệ số PWV từ dữ liệu thu thập ngoài thực địa của hệ thống định vị

vệ tinh GPS trong 2 đợt bằng máy thu GPS 2 tần số của trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, từ đó so sánh kết quả của hệ số hơi nước PWV nhận được từ hai hệ thống Đây cũng là hướng của đề tài luận văn thực hiện

CHƯƠNG 3

KIẾN THỨC CƠ SỞ

Như đã trình bày ở chương 1, lượng hơi nước tích tụ (Precipitable water vapor - PWV) trong khí quyển rất cần thiết trong công tác dự báo thời tiết PWV chính là độ cao của cột chất lỏng thẳng đứng tương đương với toàn bộ lượng hơi nước có thể tích

tụ được trong cột tại một điểm trên bề mặt Trái Đất Vì vậy, PWV đóng một vai trò quan trọng trong động lực học khí quyển Hiện nay, có nhiều phương pháp để khảo sát hệ số PWV như sử dụng bóng thám không, phóng xạ kế hơi nước, giao thoa đường đáy dài (VLBI), GPS… Trong đề tài luận văn này học viên thực hiện giải quyết các vấn đề sau:

 Khảo sát hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến

3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN

3.1.1 Khái niệm bóng thám không vô tuyến

Là thiết bị thám không vô tuyến đo đạc các yếu tố khí tượng nhiệt độ, độ ẩm tương đối, áp suất, gió (hướng gió và tốc độ gió) của khí quyển theo độ cao lên tới 30km Để mang thiết bị thám không vô tuyến lên cao trong bầu khí quyển phải sử dụng một quả bóng, được gọi là bóng thời tiết Trong quá trình bóng bay lên trong khí quyển, thiết bị thám không vô tuyến vừa thu nhận các yếu tố khí tượng vừa truyền các thông số nhận được xuống trạm thu dữ liệu tại mặt đất bằng sóng điện từ ở tần số 409 MHz hoặc 1680 MHz

Bóng thám không vô tuyến lần đầu tiên được sử dụng bởi Cục Thời Tiết Mỹ vào năm 1936 Trong năm đó, một mạng lưới các trạm thả bóng thám không đã được hình

thành để thay thế cho các chương trình đo bằng phi cơ và được thả thường xuyên 4

lần trong ngày (0h, 6h, 12h, 18h theo UTC) để khảo sát các yếu tố của khí quyển

Bóng thám không bao gồm 2 phần chính cấu thành: thành phần thiết bị mang

(bóng thời tiết) và thành phần thiết bị thu nhận và truyền dữ liệu của thám không vô

tuyến được thể hiện như hình 3.1

Hình 3.1: Thành phần của bóng thám không ở đài khí tượng cao không Tân Sơn

Hòa (TP.HCM)

3.1.2 Bóng thời tiết

Bóng thời tiết được chế tạo bằng cao su nhân tạo hoặc cao su tự nhiên Tính

chất chủ yếu của bóng thời tiết là phải có tính co dãn, đàn hồi Khi bơm căng cũng

như khi khí áp bên ngoài giảm trong quá trình bóng bay lên thì vỏ bóng phải dãn nở

đều và tự do Đồng thời vỏ bóng phải khá bền để không lọt khí ra ngoài Trọng lượng

của quả bóng phải nhỏ, chịu đựng lạnh, ôzôn, bức xạ cực tím Những tính chất đó

phải được duy trì trong thời gian dài khi bóng bay

Tùy theo trọng lượng của bóng mà bóng có thể bay cao hay bay thấp Thông

thường trọng lượng bóng khi bơm khí là 1.5kg đến 1.7kg Bóng thường vỡ ở độ cao

từ 22km đến 35km

Thiết bị mang (bóng thời tiết)

Thiết bị thám không vô tuyến

Bóng được bảo quản trong hộp, đặt trong buồng mát có nhiệt độ khoảng 20 -

250C, độ ẩm không được thấp dưới 70%, trong phòng không có axit, kiềm, dầu hoặc xăng, không xếp chồng lên nhau Thời hạn sử dụng 1 năm

Hình 3.2 thể hiện quá trình bơm khí Hydro vào bóng tại trạm Tân Sơn Tp.HCM, quá trình này chỉ được thực hiện trước khi thả bóng khoảng 10 phút, để tránh trường hợp vỏ bóng sẽ bị biến dạng khi tiếp xúc với nhiệt độ bên ngoài Quả bóng được bơm căng tròn đến trọng lượng quy định, không được bơm quá căng cũng như quá non, khi thả bóng sẽ không đạt được độ cao cần thiết Vì vậy, khi bơm bóng phải chú trọng đến vấn đề trọng lượng bóng

dụng phổ biến hơn Tuy nhiên, giá thành của khí Hydro thấp nhưng quá trình điều chế khí Hydro từ việc điện phân nước rất phức tạp, dễ gây cháy nổ khi có tia lửa nhỏ Vì vậy, phải xây dựng một trạm dùng để điều chế Hydro riêng, không dùng chung cho các thiết bị quan trắc khác

Hình 3.3: Thiết bị dùng để điện phân nước và bồn chứa khí Hidro

3.1.3 Thiết bị thám không vô tuyến

Thiết bị thám không vô tuyến là sản phẩm của công ty Finnish, đặt trụ sở tại Phần Lan, chuyên sản xuất và cung cấp các loại thiết bị phục vụ cho đo lường môi trường, đặc biệt là đo thời tiết Thiết bị thám không vô tuyến là một thiết bị nhỏ buộc vào một bong bóng thời tiết Thiết bị thám không vô tuyến sẽ đo các yếu tố khí tượng của khí quyển theo chiều dọc trong quá trình bóng thời tiết bay lên Trong quá trình bóng thời tiết bay lên cho đến khi bóng nổ thì thiết bị thám không vô tuyến sẽ truyền

dữ liệu đo được liên tục về máy thu ở mặt đất với tốc độ thăng được cài đặt cố định trong thiết bị thám không vô tuyến khoảng 5m/s

Thiết bị thám không vô tuyến đo các yếu tố khí tượng: áp suất khí quyển, nhiệt

độ không khí, nhiệt độ điểm sương, độ ẩm tương đối và tốc độ gió, hướng gió Ngoài

ra, thiết bị thám không vô tuyến có thể được trang bị cảm biến ôzôn và bức xạ cực tím

Thiết bị thám không vô tuyến gồm có các bộ phận cấu thành nên:

- Các đầu đo cảm biến với môi trường và đo các yếu tố khí tượng

- Bộ phận biến năng chuyển đổi các giá trị đo được của đầu đo thành tín hiệu vô tuyến

- Máy phát vô tuyến: phát tín hiệu vô tuyến về mặt đất ở tần số 409 MHz hoặc

1680 MHz và cả hai loại có thể được điều chỉnh cao hơn hoặc thấp hơn theo yêu cầu

cụ thể

Hình 3.4: Cấu tạo của thiết bị thám không vô tuyến

Các bộ phận trong thiết bị thám không vô tuyến gồm:

1: thiết bị thu GPS 2: Hộp dựng pin dùng để duy trì hoạt động của thám không vô tuyến 3: Bộ phận cảm biến áp suất

4: Anten định hướng của thiết bị thám không vô tuyến

5: Bộ phận cảm biến nhiệt độ 6: Bộ phận cảm biến độ ẩm 7: Bộ phận cảm biến đứt gãy (sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ) 8: Địa chỉ nơi thả bóng thám không

Trong quá trình bóng thời tiết bay lên, thiết bị thám không vô tuyến vừa thu nhận các yếu tố khí tượng, đồng thời máy thám không dựa vào thiết bị thu GPS (1) đo độ lệch Doppler từ các vệ tinh, tất cả các giá trị đo được sẽ chuyển thành tín hiệu điện từ truyền về bộ xử lý thông qua anten hình nấm, anten GPS thu nhận tín hiệu dưới mặt đất Bộ xử lý sẽ cho kết quả đo gió (tốc độ và hướng gió), độ ẩm, áp suất, nhiệt độ và

độ cao

Hình 3.5: Mô hình thu/truyền tín hiệu về các hệ thống tại mặt đất

Trong hình 3.5 thể hiện trong quá trình bóng thám không vô tuyến (1) bay lên, bên cạnh thiết bị thám không vô tuyến thu tín hiệu vệ tinh (2) truyền xuống hệ thống thiết bị thu nhận từ xa (3) thì dưới mặt đất cũng có một thiết bị thu tín hiệu vệ tinh (4), tất cả sẽ truyền về hệ thống xử lý tín hiệu (5) và sau đó sẽ truyền vào máy tính xử lý (6)

Bóng thám không vô tuyến được thả đồng thời trên khoảng 900 địa điểm trên toàn thế giới, mỗi ngày thả 4 lần (0h00; 6h00; 12h00 và 18h00 theo UTC), tuy nhiên nếu trong điều kiện không cần thiết thì chỉ cần thả lúc 00h00UTC và lúc 12h00UTC, được thả mỗi ngày trong năm Tuy nhiên, có thể tăng số lượng thả bóng hơn 2 lần

Trạm điều chế khí Hydro, Heli

trong một ngày khi có yêu cầu của các nhà khí tượng học để tăng thêm dữ liệu khảo sát khi có sự thay đổi lớn trong bầu khí quyển Trong đó bao gồm 92 địa điểm thả bóng bởi dịch vụ thời tiết quốc gia (National Weather Service) ở Mỹ và một số vùng lãnh thổ của nó

Khi quả bóng thời tiết nổ thì ngay tại mặt đất cũng sẽ nhận được tín hiệu ngay tại

vị trí đó, đồng thời tín hiệu tự động sẽ ngắt, không truyền tín hiệu về trạm mặt đất

nữa Để đảm bảo cho thiết bị thám không vô tuyến khi rơi từ độ cao hơn 20km xuống không gây nguy hại thì nhà sản xuất thiết kế thêm một chiếc dù nhỏ được gắn vào thiết bị thám không vô tuyến, cho phép khi bóng nổ sẽ giúp cho thiết bị thám không

vô tuyến giảm áp lực rơi xuống đất với tốc độ khoảng 22mph (khoảng 10m/s) được thể hiện ở hình 3.6 Trong mỗi thiết bị thám không vô tuyến chứa một chiếc túi nhỏ dùng để gửi thư và hướng dẫn cách để người dân gửi về nơi đã thả bóng khi nhặt được (bộ phận thứ 8 trong hình 3.4 trên) Vì vậy, ở Mỹ mỗi năm có khoảng 20% trong tổng

số 75.000 thiết bị thám không vô tuyến được gửi trả về lại, các thiết bị được tái sử dụng, nhằm tiết kiệm chi phí của quốc gia

Hình 3.6: Bóng thám không vô tuyến trước khi thả và chiếc dù nhỏ để giảm lực

rơi của thiết bị thám không vô tuyến

Chiếc dù giảm áp lực

Qua tìm hiểu sơ lược về bóng thám không vô tuyến cho thấy khi thả bóng thám không vô tuyến sẽ thu được các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ cao, hướng gió và tốc độ gió tại từng thời điểm trong quá trình bóng bay lên trong khí quyển Thuật toán xác định hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến sẽ dựa vào các hệ số khí tượng nhận được trên từng lớp độ cao Tiếp theo, học viên sẽ trình bày thuật toán tính hệ số PWV từ bóng thám không vô tuyến

3.2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HƠI NƯỚC PWV TỪ DỮ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN

Hệ số PWV là lượng hơi nước tại một điểm trên bề mặt trái đất được biểu diễn là

độ cao của một cột chất lỏng tương đương Bóng thời tiết mang theo thiết bị thám không vô tuyến di chuyển qua từng lớp độ cao không khí Trong quá trình di chuyển, thiết bị khảo sát các yếu tố khí tượng tại từng lớp độ cao Vì vậy, nếu tính giá trị PWV trên từng lớp độ cao, sau đó lấy tổng tất cả giá trị PWV trên từng lớp độ cao sẽ được giá trị PWV Thuật toán tính hệ số PWV của Y Liu [10] và của Văn phòng Dịch vụ

Dự báo Thời tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17] cũng thành lập dựa trên nguyên tắc đó

3.2.1 Thuật toán xác định hệ số PWV của Y Liu [10]

Theo Y Liu [10] đã đưa ra các công thức tính toán hệ số hơi nước PWV từ bóng thám không vô tuyến dựa vào các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, độ cao tại từng lớp độ cao Hệ số PWV thu được bằng cách tích tụ hơi nước mật độ theo hướng thẳng đứng Thiết bị thám không quan sát các yếu tố, bao gồm áp suất, nhiệt độ

và độ ẩm tương đối thực hiện ở những độ cao khác nhau khi bóng thời tiết di chuyển Những tính toán riêng được chuyển đổi thành mật độ hơi nước và giá trị PWV là sự tích hợp các giá trị nhận được trên cùng một chiều cao Hơi nước tích tụ (IWV) dọc theo đường di chuyển của bóng thám không vô tuyến được tính theo công thức sau [10]:

h: độ cao theo phương thẳng đứng của tầng đối lưu

Hệ số IWV có thể tính thông qua hệ số PWV [10]:

.

v dh IWV

v

e

R T

Trong đó R v461.525 .J K1.kg1 : hằng số khí đặt biệt của hơi nước

T: nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)

ew áp suất hơi bão hòa (hPa)

Áp suất hơi nước bão hòa có thể tính toán từ nhiệt độ và độ ẩm tương đối Nhiều công thức đã được phát triển cho việc chuyển đổi này Công thức kinh nghiệm sau đây được sử dụng [10]:

4 2

w

với RH: độ ẩm tương đối (%)

T: nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)

Áp suất hơi nước tính được rời rạc từ dữ liệu thám không vô tuyến dựa vào nhiệt

độ và độ ẩm tương đối nhận được ở những độ cao khác nhau, gây ra một sự tách biệt của khí quyển tạo thành nhiều lớp Giả sử mật độ hơi nước biến đổi tuyến tính trong mỗi lớp, phương trình (3.2) có thể được xấp xỉ bằng:

1 1

1( j j).( v j v j) / 2

Các yếu tố độ cao, độ ẩm tương đối, nhiệt độ từ các phương trình sẽ lấy từ file

dữ liệu của bóng thám không vô tuyến theo bảng 3.1:

Bảng 3.1: Bảng các tham số khí tượng nhận được từ bóng thám không vô tuyến

Thuật toán để tính hệ số PWV của Y Liu [10] đưa ra dựa trên các yếu tố khí

tượng nhận được từ bóng thám không vô tuyến, ngoài thuật toán trên, Văn phòng

Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17]

cũng đưa ra thuật toán tính hệ số PWV dựa vào các yếu tố khí tượng

Độ cao của bóng

Áp suất không khí

Nhiệt độ không khí

Độ ẩm tương đối

3.2.2 Thuật toán xác định hệ số PWV của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời Tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17]

Theo công thức của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (National Weather Service Weather Forecast Office) [17] đưa ra để tính toán hệ số PWV từ bóng thám không cũng dựa vào các yếu tố khí tượng nhận được trong quá trình bóng thời tiết di chuyển trong khí quyển như sau:

Sức trương hơi nước bão hòa trên mặt nước ew [17]

17.676.112 exp

243.5

d w

d

T e

Trong đó ew: sức trương hơi nước, (đơn vị mb hoặc (hPa))

Td: nhiệt độ điểm sương (°C)

6 0.0741.0016 3.15 10

Trong đó P: áp suất không khí (hPa)

Sức trương hơi nước của không khí ẩm e

T: nhiệt độ (Kelvin)

Hệ số vd: mật độ hơi nước (g/m3)

Hệ số PW tính theo từng lớp độ cao:

410