Ứng dụng viễn thám đánh giá ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị đến đặc trưng mua tại thành phố hồ chí minh

Nhiệm vụ: Khảo sát phân bố theo không gian và thời gian của nhiệt độ bề mặt đất và lượng mưa từ tư liệu viễn thám kết hợp số đo mặt đất, từ đó xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô

-oOo -

ĐẶNG THỊ MAI NHUNG

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ ĐẾN ĐẶC TRƯNG MƯA TẠI THÀNH PHỐ

Cán bộ nhận xét 1: TS Lương Văn Việt

Cán bộ nhận xét 2: TS Phạm Thị Mai Thy

Luận văn thạc sĩ đã được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM ngày 11 tháng 8 năm 2017

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

1 PGS TS Lê Văn Trung

2 TS Lương Văn Việt

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: ĐẶNG THỊ MAI NHUNG Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 21/3/1991 Nơi sinh: Bulgaria

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Khóa: 2014

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA

ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ ĐẾN ĐẶC TRƯNG MƯA TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍMINH

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ: Khảo sát phân bố theo không gian và thời gian của nhiệt độ bề

mặt đất và lượng mưa từ tư liệu viễn thám kết hợp số đo mặt đất, từ đó xem

xét ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị đến đặc trưng mưa đặc thù cho

TPHCM, nhằm hỗ trợ quy hoạch đô thị bền vững

2 Nội dung:

- Nghiên cứu đặc tính dữ liệu vệ tinh trích xuất nhiệt độ bề mặt đất và đo

mưa, kết hợp giải thuật tính toán để trích xuất dữ liệu

- Đánh giá phân bố của nhiệt độ bề mặt đất và sự phát triển của đảo nhiệt đô

thị giai đoạn 2005-2015, xem xét sự phát triển theo không gian và thời

gian kết hợp định lượng giá trị

- Đánh giá phân bố mưa đô thị trong giai đoạn nghiên cứu, qua đó phát hiện

các đặc trưng mưa dưới ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại

TPHCM

- Đề xuất các giải pháp giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và ảnh hưởng

tác động đến lượng mưa đô thị

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/06/2017

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN THỊ VÂN

TPHCM, ngày ….tháng……năm 2017

TRƯỞNG KHOA

MN: 60850101

LỜI CẢM ƠN

-oOo -Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp

đỡ của rất nhiều người Tôi xin chân thành gởi làm cảm ơn đến:

Gia đình, xin gởi lòng biết ơn sâu sắc đến Ba Mẹ và những người thân của tôi đã luôn bên cạnh, động viên và nhắc nhở tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Cô Trần Thị Vân, người đã cung cấp cho tôi những tài liệu tham khảo bổ ích và trực tiếp hướng dẫn phương pháp cũng như nội dung của đề tài Cô thường xuyên góp ý, đề xuất những ý tưởng và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn của mình

Quý thầy cô Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt những năm học tập ở trường

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người

Đặng Thị Mai Nhung

TÓM TẮT

Đảo nhiệt đô thị và mưa đô thị là những vấn đề môi trường đang được chú

ý quan tâm hiện nay đặc biệt ở khu vực đô thị Mặc dù vấn đề này diễn ra ngày càng mạnh mẽ nhưng các biện pháp quản lý, ngăn ngừa và giảm thiểu tác động vẫn còn nhiều hạn chế Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh quang học khảo sát nhiệt độ bề mặt đất từ các kênh hồng ngoại nhiệt cho khu vực phía Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2005-2015 Từ đó đánh giá hiệu ứng đảo nhiệt đô thị bề mặt (SUHI) xuất hiện trên thành phố Lượng mưa được khảo sát cụ thể là mưa được chiết xuất từ ảnh vệ tinh GEO-IR và hệ thống quan trắc trực tuyến GWADI với thuật toán PERSSIAN mang đặc tính không gian, được hiệu chỉnh và so sánh với dữ liệu mưa đo được từ các trạm đo mặt đất Mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt (LST) và mưa đô thị được xem xét nhằm tìm mối quan hệ giữa chúng Kết quả nghiên cứu cho thấy, đối với phía Bắc thành phố Hồ Chí Minh, biến động nhiệt độ có xu hướng ngày càng tăng và

mở rộng dần diện tích những vùng có nhiệt độ cao ra các vùng ngoại ô Trong giai đoạn 2005-2015, xu hướng hình thành đảo nhiệt đô thị bề mặt với 3 phân vùng (03 huyện, 13 quận nội thành cũ và 19 quận nội thành) cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa nhiệt độ bề mặt đất của khu vực đô thị và khu vực nông thôn Dưới ảnh hưởng của đảo nhiệt, lượng mưa cũng thể hiện sự phân hóa rõ rệt giữa khu vực đô thị và nông thôn với tâm mưa dịch chuyển về trung tâm thành phố Đồng thời tại khu vực nội thành cường độ mưa và số cơn mưa với vũ lượng >

100 mm cũng tăng trong khi thời gian mưa lại ngắn hơn Số ngày mưa trong năm đang có xu thế giảm dần, khiến cho mùa khô kéo dài hơn, đặc biệt là giảm chậm ở khu đô thị Từ đó, luận văn đã đề xuất các giải pháp thích hợp để giảm nhẹ sự hình thành đảo nhiệt đô thị bề mặt cho khu vực trong tình hình nóng ấm toàn cầu và thích ứng với tình trạng mưa lớn đột ngột dễ gây ngập lụt đô thị Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể sử dụng để hỗ trợ công tác quy hoạch và quản lý môi trường đô thị bền vững trong xu hướng đô thị hóa ngày càng cao

ABSTRACT

Urban heat island and urban rain are the serious environmental problems that are being noticed in urban area Although this takes place more intensely, but the management, prevention and mitigation methods are still limited The thesis presents the results of studying the application of optical satellite images

to investigate the surface temperature of the infrared radiation channels for the Northern region of Ho Chi Minh City for the period of 2005-2015 From there, it assesses the surface urban heat island (SUHI) effect that appears in the city Rainfall was investigated specifically as rain extracted from GEO-IR satellite imagery and GWADI online monitoring system with PERSSIAN algorithm with spatial characteristics, which was calibrated and compared with rainfall data from monitoring stations The correlation between land surface temperature (LST) and urban rainfall is considered to find a relationship between them The results show that, for northern Ho Chi Minh City, temperature fluctuations tend

to increase and gradually widen the area of high temperature into the suburbs In the period of 2005-2015, the trend of surface heat island formation with 3 subdivisions (03 rurals, 13 original urban districts and 19 new urban districts) showed a clear difference between surface temperature in urban area and rural area Rainfall also shows a distinct difference between urban and rural areas with a shift of the rainfall center to the center of the city, along with an increase

in rainfall intensity and rainfalls with an amounts higher than 100 mm was discovered in the inner city From these results, the thesis has proposed appropriate solutions to mitigate the formation of surface heat islands for the region in the global warming context and to adapt to the heavy rainfall that causes urban floods Results of the research can be used support sustainable urban planning and management in the increasingly urbanization trend

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin lấy danh dự của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

Học viên

Đặng Thị Mai Nhung

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

MỞ ĐẦU 12

Tính cấp thiết của đề tài 12

1 Mục tiêu nghiên cứu 14

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 14

3 Nội dung nghiên cứu 15

4 Phương pháp thực hiện 15

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 17

6 6.1 Ý nghĩa khoa học 17

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 18

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 19

1.1 ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ 19

1.1.1 Đảo nhiệt đô thị 19

1.1.2 Tác động của đảo nhiệt đô thị 21

1.2 MƯA 23

1.2.1 Khái niệm và đặc trưng 23

1.2.2 Vai trò của nước mưa 25

1.2.3 Mưa đô thị 26

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 28

1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới 28

1.3.2 Nghiên cứu ở Việt Nam 34

1.4 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 38

1.4.1 Vị trí địa lý 38

1.4.2 Đặc điểm địa hình 40

1.4.3 Khí hậu 39

1.4.4 Kinh tế xã hội 39

1.4.5 Tình hình phát triển đô thị hóa tại TPHCM 40

1.4.6 Hiện trạng mưa đô thị tại TPHCM 40

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC 44

2.1.1 Cơ sở viễn thám quan trắc nhiệt 44

2.1.2 Cơ sở viễn thám quan trắc mưa 51

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 54

2.2.1 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt 54

2.2.2 Phương pháp xác định mưa từ vệ tinh 58

2.2.3 Các phép hiệu chỉnh cần thiết trong tiền xử lý dữ liệu viễn thám 62

2.2.4 Đánh giá sai số kết quả xử lý dữ liệu viễn thám 64

2.3 DỮ LIỆU SỬ DỤNG 64

2.3.1 Ảnh vệ tinh quang học trích xuất nhiệt độ bề mặt 64

2.3.2 Dữ liệu mưa và trạm đo mưa 65

2.4 QUY TRÌNH THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 67

Chương 3: PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ 69

3.1 QUY TRÌNH CHIẾT XUẤT NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT 69

3.1.1 Quy trình chiết xuất nhiệt độ bề mặt 69

3.1.2 Tiền xử lý ảnh 70

3.1.3 Cơ sở đánh giá nhiệt độ bề mặt 71

3.2 PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ BỀ MẶT PHÍA BẮC TPHCM GIAI ĐOẠN 2005-2015 71

3.2.1 Đánh giá sai số kết quả xử lý ảnh nhiệt vệ tinh 71

3.2.2 Phân bố nhiệt độ bề mặt theo lớp phủ 73

3.2.3 Phân bố nhiệt độ bề mặt theo khu vực 74

3.3 PHÂN BỐ ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ BỀ MẶT 77

Chương 4: ĐẶC TRƯNG MƯA VÀ MỐI QUAN HỆ VỚI ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ BẮC TPHCM 80

4.1 QUY TRÌNH XÂY DỰNG BẢN ĐỒ MƯA TỪ DỮ LIỆU VỆ TINH 80

4.2 ĐẶC TRƯNG MƯA TPHCM GIAI ĐOẠN 2005-2015 82

4.2.1 Phân bố không gian mưa đô thị từ dữ liệu mưa vệ tinh 82

4.2.2 Xu thế biến đổi lượng mưa từ dữ liệu mưa vệ tinh 87

4.2.3 Xu thế biến đổi mưa theo số đo mặt đất từ trạm KTTV 90

4.2.4 Xu thế cường độ mưa 97

4.2.5 Đánh giá độ lệch giữa lượng mưa vệ tinh GWADI và lượng mưa từ trạm khí tượng thủy văn 99

4.3 GIẢI THÍCH SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ MƯA ĐÔ THỊ TPHCM 100

4.3.1 Cơ chế hình thành 100

4.3.2 Tác nhân đảo nhiệt đô thị 105

Chương 5: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM NHẸ TÁC ĐỘNG VÀ THÍCH ỨNG 107

5.1 CHIẾN LƯỢC CHUNG CHO GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ BỀ MẶT 107

5.2 GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ BỀ MẶT 108

5.2.1 Tăng cường mở rộng mảng xanh đô thị 108

5.2.2 Quy hoạch và cấu trúc xây dựng đô thị 109

5.2.3 Quản lý nước mưa và các biện pháp thấm đất 115

5.2.4 Công tác quản lý và giáo dục 118

5.3 GIẢI PHÁP CHO VIỆC THÍCH ỨNG VÀ QUẢN LÝ NGẬP LỤT DO MƯA 119

5.3.1 Giải pháp quản lý tổng thể 119

5.3.2 Giải pháp ứng phó và thích ứng 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

PHỤ LỤC 141

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AHIs Đảo nhiệt khí quyển (Atmospheric Heat Island)

AUHI Đảo nhiệt khí quyển đô thị (Atmospheric Urban Heat

Island) BĐKH Biến đổi khí hậu

EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ

ĐPX Độ phát xạ

GEO-IR Ảnh hồng ngoại từ vệ tinh địa tĩnh

GDA Phân tích khác biệt về địa lý (Geographical Differential

Analysis) GIS Hệ thống thông tin địa lý

LEO Vệ tinh quỹ đạo thấp

LST Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature)

KTTV Khí tượng thủy văn

NDVI Chỉ số phân biệt thực vật chuẩn hóa

SUHI Đảo nhiệt đô thị bề mặt (Surface urban heat island)

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

UHI Đảo nhiệt đô thị (Urban heat island)

WMO Tổ chức khí tượng Quốc tế

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc trưng cơ bản của SUHI và AUHI 20

Bảng 2.1: Bảng dữ liệu ảnh thu nhận 65

Bảng 2.2: Thông tin các trạm đo mưa do Đài KTTV khu vực Nam Bộ quản lý 66

Bảng 3.1: Sai số tính nhiệt độ qua các thời điểm chụp ảnh 73

Bảng 3.2: Phân khu vực quận/huyện ở TPHCM 76

Bảng 3.3: Nhiệt độ bề mặt trung bình vào 2 thời điểm chụp ảnh 76

Bảng 3.4: Nhiệt độ trung bình (oC) các quận huyện thuộc khu vực Bắc TPHCM 76

Bảng 3.5: Diện tích không gian của SUHI (ha) vào 2 thời điểm chụp 77

Bảng 4.1: Lượng mưa tích lũy từ dữ liệu vệ tinh trong vòng 11 năm giai đoạn 2005-2015 84

Bảng 4.2: Lượng mưa tích lũy năm giai đoạn 2005-2015 Bắc TPHCM từ dữ liệu vệ tinh 88

Bảng 4.3: Lượng mưa tích lũy năm theo từng vùng giai đoạn 2005-2015 89

Bảng 4.4: Hàm xu thế biến đổi lượng mưa tích lũy năm giai đoạn 2005-2015 89

Bảng 4.5: Lượng mưa tích lũy năm tại các trạm đo KTTV giai đoạn 2005-2015 90

Bảng 4.6: Mức giảm lượng mưa tích lũy trung bình năm tại các trạm KTTV giai đoạn 2005-2015 91

Bảng 4.7: Thống kê số ngày mưa qua các năm tại 05 trạm KTTV 92

Bảng 4.8: Hàm xu thế biến đổi số ngày mưa qua các năm tại 05 trạm KTTV 93

Bảng 4.9: Số ngày mưa >100 mm qua các thời kỳ 95

Bảng 4.10: Thống kê số ngày mưa qua các thời kỳ 95

Bảng 4.11: Thống kê ngày có mưa rất to ứng với nhiệt độ đo được tại Trạm Mạc Đĩnh Chi 96

Bảng 4.12: Thống kê ngày có mưa rất to ứng với nhiệt độ đo được tại Trạm Tân Sơn Hòa 96

Bảng 4.13: Cường độ mưa lớn nhất theo thời đoạn, giai đoạn 1983-2015 97

Bảng 4.14: Xu thế gia tăng cường độ mưa giai đoạn 1983-2015 98Bảng 4.15 Thống kê sai số lượng mưa năm qua các thời điểm 99Bảng 4.16: Lượng mưa năm từ dữ liệu vệ tinh tương ứng tại các trạm

đo mặt đất 100Bảng 4.17: Hệ số tương quan (r) giữa giá trị mưa vệ tinh từ hệ thống

GWADI và từ trạm KTTV 100

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Minh họa hình ảnh đảo nhiệt trên khu đô thị 19

Hình 1.2: Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí trên khu đô thị 21

Hình 1.3: Sơ đồ hình thành (a) mưa địa hình và (b) mưa đô thị 27

Hình 1.4: Khu vực nghiên cứu phía Bắc của TPHCM 38

Hình 1.5: Sơ đồ thủy lực khu vực TPHCM 41

Hình 2.1: Các kênh được sử dụng trong viễn thám 45

Hình 2.2: Phổ điện từ thể hiện các kênh sử dụng trong các vùng hấp thụ của khí quyển của viễn thám quang học 46

Hình 2.3: Trích xuất đặc điểm đám mây 60

Hình 2.4: SOFM của 400 nhóm mây 61

Hình 2.5: Các đường quan hệ Tb-R của các nhóm mây G0-G6 61

Hình 2.6: Bản đồ các trạm đo mưa do Đài KTTV khu vực Nam Bộ quản lý 67

Hình 2.7: Quy trình thực hiện nghiên cứu 68

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình chiết xuất nhiệt độ bề mặt trên ảnh vệ tinh 69

Hình 3.2: Phân bố nhiệt độ bề mặt từ ảnh vệ tinh vào các thời điểm chụp 74

Hình 3.3: Phân khu vực quận/huyện ở TPHCM 75

Hình 3.4: Vị trí các SUHI điển hình khu vực Bắc TPHCM vào các thời điểm chụp ảnh 79

Hình 4.1: Đưa dữ liệu mưa trạm đo vào phần mềm ArcMap 81

Hình 4.2: Chuyển đổi tọa độ 81

Hình 4.3: Tạo bản đồ sai số 82

Hình 4.4: Kết quả tính toán dữ liệu mưa hiệu chỉnh 82

Hình 4.5: Phân bố không gian lượng mưa tích lũy năm khu vực Bắc TPHCM giai đoạn 2005-2015 86

Hình 4.6: Phân bố lượng mưa tích lũy trong vòng 11 năm Bắc TPHCM giai đoạn 2005-2015 87

Hình 4.7: Xu thế lượng mưa tích lũy năm Bắc TPHCM giai đoạn 2005-2015 từ dữ liệu vệ tinh 88

Hình 4.8: Khác biệt dao động lượng mưa tích lũy năm giữa quận và

huyện 89

Hình 4.9: Khác biệt dao động lượng mưa tích lũy năm giữa 3 vùng đô thị và nông thôn 90

Hình 4.10: Xu thế biển đổi lượng mưa đo tại các trạm quan trắc giai đoạn 2005-2015 91

Hình 4.11: Biểu đồ số ngày mưa của từng trạm giai đoạn 2005-2015 93

Hình 4.12: Tác nhân gây mưa đô thị 102

Hình 4.13: Cấu trúc đô thị có khả năng gây thời tiết cực đoan 102

Hình 4.14: Vị trí địa lý TPHCM trên bản đồ thế giới 104

Hình 4.15: Minh họa sơ đồ hình thành mưa đối lưu 104

Hình 5.1: Mối quan hệ giữa mặt phủ không thấm và dòng chảy bề mặt 107

Hình 5.2: Hệ thống thu nước mưa 117

Hình 5.3: Mái nhà xanh 117

Hình 5.4: Hệ thống thấm 117

Hình 5.5: Vỉa hè thấm 118

Hình 5.6: Bồn trữ nước tạm thời 118

Hình 5.7: Các giải pháp quản lý công trình và phi công trình 121

độ thấp ở khu vực nhiều cây xanh như công viên, và tăng cao ở các khu vực nhiều công trình nhà ở

Do sinh nhiệt quá mức cùng với bề mặt gồ ghề từ các công trình xây dựng, các thành phố lớn gây ra dòng chảy khí quyển cục bộ bên trong thành phố Các tòa nhà cao tầng đóng vai trò như những ngọn núi khi dòng không khí thổi qua, gây nên các dòng đối lưu Các dòng đối lưu này gây ra một sự gia tăng đáng kể của lượng mưa tại chỗ và vùng lân cận của thành phố Hội tụ không khí do các bề mặt thành phố có độ cao khác nhau, như các tòa nhà, cùng với nhiệt độ bên trong thành phố tăng cao cũng thúc đẩy không khí sản xuất ra những đám mây và mưa

Trung bình mỗi tỉnh thành chỉ có từ 1 đến vài ba trạm khí tượng, số đo tại đây chỉ thể hiện tình hình khí tượng tại điểm đo với bán kính lan tỏa không lớn, và thường thì được dùng để thông báo tình hình thời tiết cho toàn tỉnh hoặc một khu vực Số liệu

đo từ nguồn này có thuận lợi là độ phân giải thời gian cao (đo hàng ngày và đo nhiều đợt trong ngày) và dữ liệu được ghi chép trong thời gian dài, nhưng độ phân giải không gian thì thô do số điểm đo ít và thưa thớt, không thể cung cấp dữ liệu khí hậu chi tiết để có thể nhận dạng các khu vực nhỏ giữa các trạm quan sát trong một khu vực

đô thị Vì vậy, chúng không đảm bảo tính chính xác cho toàn vùng

Trong khi đó, việc sử dụng viễn thám để nghiên cứu vấn đề này có rất nhiều tiềm năng do ảnh vệ tinh có khả năng cung cấp được nhiều thông tin hữu ích trên một phạm

vi rộng lớn và theo chu kì Ngoài ra, viễn thám còn là một kỹ thuật nổi bật hơn các phương pháp thông thường trong quá trình đánh giá nhờ khả năng cung cấp thông tin nhanh chóng và chi phí hợp lí Do đó, việc áp dụng viễn thám trong nghiên cứu về sự

tích đặc trưng mưa để theo dõi lượng mưa, hỗ trợ cho việc cảnh báo, xây dựng các chính sách quản lý môi trường bền vững ở hiện tại và tương lai

Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) là một đô thị lớn, sôi động, kinh tế phát triển nhanh cùng với tăng trưởng dân số và sự ra đời của nhiều doanh nghiệp Trong những năm gần đây, ở nước ta nhiệt độ môi trường đô thị ngày càng tăng cao, thường xuyên

có những ngày nhiệt độ trên 35oC, có khi đỉnh điểm đạt tới 38-39oC Là một trong 10 thành phố ở Việt Nam bị ảnh hưởng nhiều nhất do mực nước biển dâng (Carew-Reid

& Jeremy, 2007) và có chỉ số dễ tổn thương do ảnh hưởng của BĐKH là 6/10, bị ảnh hưởng của mực nước biển dâng là 10/10, TPHCM hiện nay cũng phải đang đối mặt với nhiều thách thức do BĐKH nhất là tình trạng nắng nóng và mưa trái mùa TPHCM đang tiếp tục mở rộng nhanh chóng ra các khu vực ngoại vi trung tâm và mật độ đô thị ngày càng tăng Việc gia tăng áp lực đối với không gian xây dựng đô thị dẫn tới các khu vực đất để xây dựng các không gian xanh và hệ thống nước tự nhiên cũng bị cắt giảm Do hệ thống nước tự nhiên và thảm thực vật tự nhiên bị thu hẹp do quá trình đô thị hóa nên ngập lụt xảy ra thường xuyên hơn do lượng mưa và dòng chảy của sông cao Lượng mưa được dự báo sẽ tiếp tục giảm trong mùa khô và tăng lên trong mùa mưa đồng thời với hiện tượng tăng nhiệt độ dẫn đến tình trạng nhiệt độ trung tâm Thành phố cao hơn so với vùng ngoại vi, nông thôn và suy giảm chất lượng không khí

và nước Thay đổi chế độ mưa và lượng mưa dẫn đến hiện tượng ngập lụt sẽ ngày càng thường xuyên trong mùa mưa, thiếu nước trong mùa khô Thay đổi dòng chảy của hệ thống sông ngòi dẫn đến sự gia tăng tần suất vỡ bờ bao và lũ lụt Mực nước biển dâng dẫn đến nguy cơ ngập lụt và nhiễm mặn tăng lên Trong các tác động này, cần nghiên cứu và đánh giá đầy đủ về hiệu ứng đảo nhiệt

Với các lý do trên, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám để đánh giá biến đổi các yếu tố liên quan khí hậu thủy văn như đảo nhiệt, mưa đô thị dưới tác động của biến đổi cảnh quan đô thị là sự cần thiết, nhằm giúp hiểu biết sâu sắc thêm

sự tương quan chặt chẽ giữa các kiểu lớp phủ đất trong không gian đô thị và chu trình thủy văn của một khu vực đô thị, để có được các giải pháp đề xuất quản lý môi trường

và phục vụ quy hoạch đô thị Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ tốt cho công tác quy hoạch phát triển đô thị bền vững hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay Vì vậy, đề tài

“Ứng dụng viễn thám đánh giá ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị đến đặc trưng mưa

tại thành phố Hồ Chí Minh” được thực hiện

Mục tiêu nghiên cứu

2.

Khảo sát phân bố theo không gian và thời gian của nhiệt độ bề mặt đất và lượng mưa từ tư liệu viễn thám kết hợp số đo mặt đất, từ đó xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị đến đặc trưng mưa đặc thù cho TPHCM, nhằm hỗ trợ quy hoạch đô thị bền vững

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.

Đối tượng nghiên cứu:

 Đặc trưng nhiệt độ bề mặt đất trích xuất từ ảnh hồng ngoại nhiệt từ vệ tinh quang học LANDSAT để đánh giá hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

 Đặc trưng mưa được trích xuất từ ảnh hồng ngoại GEOIR, (vệ tinh địa tĩnh Geostationary Earth Orbiting – GEO) Ảnh chụp từ vệ tinh GEO có độ phân giải 1km x 1km đối với bước sóng khả kiến và 4km x 4km đối với bước sóng hồng ngoại (GEO-IR) Ảnh vệ tinh GEO cho thông tin về nhiệt độ bề mặt (phía trên) của các đám mây để tính toán lượng mưa với nhận định rằng cường độ mưa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ bề mặt đám mây – hay đám mây có nhiệt độ bề mặt càng thấp thì gây mưa càng lớn

-Phạm vi nghiên cứu:

Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung phần phía bắc thành phố (không kể đến Huyện Nhà Bè và Huyện Cần Giờ) Nơi đây có sự phát triển mạnh mẽ của đô thị trong nhiều năm qua với sự đa dạng của địa hình, có khác biệt rõ nét giữa khu vực nội thành

và vùng ven Đồng thời, các hoạt động nhân sinh từ quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa cũng khiến cho đặc điểm mưa có nhiều biến đổi sẽ là nghiên cứu điển hình cho đề tài của luận văn

Thời gian nghiên cứu:

Khảo sát trong vòng 11 năm giai đoạn 2005 – 2015, là thời kỳ được biết khi

TPHCM đã phát triển mạnh mẽ quá trình đô thị hóa Hiện nay thành phố đã trở thành một trong những đô thị lớn nhất của Việt Nam và đang vướng nhiều hệ quả của quá trình đô thị hóa đó Đồng thời, đây cũng là khoảng thời gian tương đối đủ dài để đảm bảo cho các nghiên cứu về đặc trưng khí hậu

Nội dung nghiên cứu

4.

(1) Tổng quan các tài liệu, cơ sở khoa học, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

về ứng dụng viễn thám giám sát nhiệt độ và lượng mưa

(2) Nghiên cứu đặc tính dữ liệu vệ tinh trích xuất nhiệt độ bề mặt đất và đo mưa, kết hợp giải thuật tính toán để trích xuất dữ liệu

(3) Đánh giá phân bố của nhiệt độ bề mặt đất và sự phát triển của đảo nhiệt đô thị giai đoạn 2005-2015, xem xét sự phát triển theo không gian và thời gian kết hợp định lượng giá trị

(4) Đánh giá phân bố mưa đô thị trong giai đoạn nghiên cứu, qua đó phát hiện các đặc trưng mưa dưới ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại TPHCM

(5) Đề xuất các giải pháp giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và ảnh hưởng tác động đến lượng mưa đô thị, nhằm hỗ trợ quy hoạch đô thị bền vững, thích ứng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay cho thành phố

Phương pháp thực hiện

5.

(1) Phương pháp tổng quan tài liệu, thu thập dữ liệu

Phương pháp này dùng để tổng hợp thông tin tài liệu về vấn đề nghiên cứu trong đề tài Các thông tin được thu thập từ các bài báo khoa học, luận văn, luận

án, các sách, tập san cũng như từ các nguồn thông tin đáng tin cậy trên mạng Internet và các cơ quan quản lý liên quan như: Sở Tài Nguyên Môi Trường, Chi cục Bảo vệ môi trường…

Các thông tin và số liệu trong đề tài cần thu thập bao gồm:

 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về hiện tượng đảo nhiệt và việc ứng dụng viễn thám và các phương pháp trong tính toán nhiệt độ bề mặt, chỉ số thực vật và mưa

 Số liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, diễn biến nhiệt độ, lượng mưa

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt tính nhiệt độ bề mặt đối tượng để xác định hiệu

ứng UHI dựa trên nguyên lý bức xạ: Sử dụng ảnh nhiệt để phát hiện ra UHI Năng

lượng mà một vật thể trên mặt đất bức xạ là hàm số của hai thông số: nhiệt độ và

độ phát xạ Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cường độ bức xạ phát ra từ vật đen Dải sóng 3-4 μm, đặc biệt là 8-14 μm là có giá trị đối với sự cảm nhận nhiệt của Trái Đất Hai định luật quan trọng là Stefan-Boltzman và Planck mô tả về mối quan hệ giữa bức xạ và nhiệt độ ĐPX là đặc tính của vật chất kiểm soát dòng năng lượng bức xạ, hay còn gọi là khả năng phát xạ của vật chất ĐPX của vật đen tuyệt đối là

1, còn đối với các vật chất khác luôn luôn nhỏ hơn 1 Nếu vật tự nhiên và vật đen

có cùng LST thì vật tự nhiên phát xạ kém hơn vật đen Phương pháp chi tiết sẽ được trình bày theo đề mục bên dưới

- Viễn thám hồng ngoại xác định lượng mưa từ mây dựa trên thuật toán

PERSIANN-CCS Ảnh vệ tinh GEO cho thông tin về nhiệt độ bề mặt (phía trên) của các đám mây để tính toán lượng mưa với nhận định rằng cường độ mưa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ bề mặt đám mây – hay đám mây có nhiệt độ bề mặt càng thấp thì gây mưa càng lớn Thuật toán tính mưa từ dữ liệu viễn thám sử dụng mạng thần kinh nhân tạo với hệ thống phân loại mây PERSIANN-CCS được phát triển dựa vào thuật toán PERSIANN có bổ sung kỹ thuật phân loại mây để nâng cao kết quả tính toán

Số liệu mưa được tính toán từ ảnh vệ tinh bằng thuật toán PERSIANN-CCS bao gồm 4 bước chính: (1) phân tách ảnh GEO-IR, (2) trích xuất đặc điểm của các đám mây, (3) phân loại các đám mây, và (4) tính toán mưa Quy trình phân loại mây và tính toán mưa sử dụng thuật toán PERSIANN-CCS

hệ giữa những lớp chuyên đề khác nhau

Trong quá trình xử lý của nghiên cứu này, các dữ liệu GIS về ranh giới hành chính (thành phố, quận huyện, phường xã), thủy hệ và đường giao thông sẽ được chuyển đổi vào hệ thống xử lý ảnh nhằm để làm mặt nạ và phân tích tính thống kê Lớp ranh giới hành chính được dùng để tính thống kê trung bình các đối tượng lớp phủ trong cùng đơn vị hành chính để xây dựng tập số liệu tính tương quan hồi quy Phần mềm sử dụng cho quá trình phân tích sẽ là ArcGIS

(4) Phương pháp thống kê

Phương pháp thống kê được sử dụng chủ yếu trong đề tài là phương pháp phân tích xu hướng biến động, phương pháp phân tích tương quan nhằm để tìm ra mối quan hệ giữa biến động nhiệt độ bề mặt với lượng mưa

Phương pháp phân tích tương quan: đánh giá mối quan hệ giữa hai biến

thông qua việc xem xét hệ số tương quan giữa chúng tính được từ tập số liệu mẫu Giá trị tuyệt đối của hệ số tương quan càng lớn thì mối quan hệ tuyến tính giữa hai biến càng chặt chẽ Hệ số tương quan dương thể hiện mối quan hệ cùng chiều, hệ

số tương quan âm thể hiện mối quan hệ ngược chiều giữa hai biến Phương pháp tương quan được vận dụng để nghiên cứu mối quan hệ giữa các hiện tượng hoặc giữa các biến Trị số của một biến nào đó biến thiên do ảnh hưởng của một loạt các biến khác, trong đó có một số biến có ảnh hưởng đáng kể cần quan tâm nghiên cứu Các biến được chọn lựa có mối liên hệ với nhau và có ý nghĩa nhất, các biến khác không quan tâm và coi như không đổi trong quá trình phân tích

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

6.

6.1 Ý nghĩa khoa học

Hiện nay, biến động nhiệt độ ngày càng diễn ra mạnh mẽ và tác động đến lượng mưa đô thị ngày càng rõ ràng Tuy nhiên những nghiên cứu về biến đổi nhiệt độ đô thị tác động đến chất lượng mưa ở Việt Nam vẫn chưa được thực hiện, đặc biệt trong lĩnh vực áp dụng công nghệ viễn thám Trong khi đó, các trạm quan trắc mặt đất từ trạm khí tượng còn hạn chế do mật độ phân bố trạm khá thưa thớt, mỗi tỉnh thành chỉ có từ 1-2 trạm Chúng chỉ phản ánh điều kiện nhiệt của khu vực cục bộ xung quanh trạm đo Bên cạnh đó, các trạm quan trắc tự động lượng mưa cũng là vấn đề, do kinh phí lắp đặt cao và công tác bảo trì cũng không được chú ý Đo đạc mặt đất các số liệu mưa cũng chỉ thực hiện bằng sức người, không thường xuyên và chỉ cũng vài điểm đo rời

rạc, thưa mỏng Cơ sở lý thuyết của phương pháp thu thập lượng mưa từ Hệ thống WADI PERSIANN-CCS GeoServer Kết quả của đề tài sẽ minh chứng khả năng của công nghệ vũ trụ giám sát hiện trạng bề mặt trước nguy cơ của biến đổi khí hậu, hỗ trợ con người bằng cách không cần tiếp xúc trực tiếp, đi đến tận nơi cũng có thể biết mọi

G-sự thay đổi trên bề mặt Trái Đất Dữ liệu viễn thám có độ phân giải không gian cao hơn và phần phủ mặt đất lớn hơn, đồng thời cho phép thu nhận thông tin bề mặt Trái Đất ngay cả những vùng con người không thể đến được Vì vậy việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám trong đánh giá môi trường nhiệt và lượng mưa đô thị là một hướng tiếp cận khả thi, với các cơ sở khoa học đã được đánh giá trên toàn thế giới

Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một phần cơ sở khoa học cho việc minh chứng mối tương quan giữa đảo nhiệt đô thị và lượng mưa trên địa bàn TPHCM, đồng thời cũng minh chứng cho khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát môi trường với điều kiện biến đổi khí hậu như hiện nay

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Trong những năm gần đây, do những biến động khó lường của khí hậu cũng như những tác động tiêu cực từ hoạt động của con người đã làm xuất hiện hiện tượng đảo nhiệt đô thị Sự cân bằng tự nhiên đang bị phá vỡ, tác động mạnh mẽ đến sự biến đổi

vi khí hậu, gia tăng lượng mưa ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sản xuất cũng như đời sống sinh hoạt của người dân Do vậy, ứng dụng tư liệu viễn thám phục vụ công tác theo dõi, đánh giá tác động đến lượng mưa mà đảo nhiệt một nguyên nhân quan trọng Kết quả của đề tài góp phần hoàn thiện phương pháp phân tích thu thập lượng mưa theo không gian và thời gian, đưa ra những cảnh báo về nguy cơ cũng như các biện pháp phòng chống và ngăn ngừa lũ lụt do mưa, giúp chính quyền địa phương có cái nhìn tổng quan về tình trạng này để đưa ra những chính sách và quy hoạch tài nguyên hợp lý, góp phần giảm nhẹ thiên tai, thích ứng với tình trạng biến đổi khí hậu như hiện nay

Đề tài cũng cung cấp cơ sở dữ liệu, bản đồ để làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan trong tương lai

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ

NGHIÊN CỨU

1.1 ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ

Đảo nhiệt đô thị

1.1.1.

Hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” – urban heat island (UHI), được định nghĩa là hiện tượng mà tại cùng thời điểm, nhiệt độ trung bình ở khu vực phát triển đô thị với nhiều công trình nhân tạo cao hơn ở khu vực công viên và nông thôn có môi trường tự nhiên xung quanh (EPA, 2008a) Hiện tượng tăng nhiệt độ cục bộ này tạo nên một khu vực trung tâm như một “ốc đảo” có nhiệt độ cao hơn các nơi khác nên được gọi là “đảo nhiệt đô thị” Hiện tượng này tạo nên sự dao động nhiệt độ trên toàn thành phố: nhiệt độ thấp ở khu vực nhiều cây xanh như công viên, và tăng cao

ở các khu vực nhiều công trình nhà ở

Hình 1.1: Minh họa hình ảnh đảo nhiệt trên khu đô thị

(Nguồn: Lawrence Berkeley National Lab)

Đảo nhiệt đô thị từ lâu đã được nghiên cứu và tìm thấy ở hầu hết các thành phố trên khắp thế giới Các tài liệu đầu tiên về đảo nhiệt đô thị được ghi lại vào năm 1818 trong nghiên cứu của Luke Howard về khí hậu ở Luân Đôn Kết quả của nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khu vực đô thị nóng hơn đáng kể so với nhiệt độ khu vực nông thôn (Howard, 1833) Nhiều nghiên cứu điển hình sau đó đã mô tả sự phân bố nhiệt độ theo không gian của Oke (Oke, 1982) và thời gian như Emilien Renou đã thực hiện những khám phá tương tự ở Paris trong suốt nửa sau thế kỷ 19

(Renou, 1855) và Wilhelm Schmidt cũng đã tìm thấy những điều kiện này trong nửa đầu thế kỷ 20 (Schmidt, 1927) Ngày nay, UHI được xem là một trong những vấn đề lớn trong thế kỷ 21 đặt ra cho con người những thách thức mới như là kết quả của quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đất nước

Hai dạng đảo nhiệt đô thị phổ biến nhất là đảo nhiệt bề mặt (surface UHI - SUHI) và đảo nhiệt không khí (atmospheric UHI - AUHI) Hai dạng đảo nhiệt này

khác nhau về cơ chế, cách quan trắc, tác động và từ đó kéo theo sự khác biệt về giải pháp giảm thiểu

Bảng 1.1: Đặc trưng cơ bản của SUHI và AUHI Đặc trưng Đảo nhiệt bề mặt Đảo nhiệt không khí

Thời gian - Xảy ra cả ngày lẫn đêm;

- Cường độ mạnh nhất vào ban ngày và trong mùa hè

- Ít xảy ra vào ban ngày;

- Tăng mạnh vào ban đêm, trước bình minh và mùa đông

Cường độ - Biến thiên theo không

gian và thời gian

- Đồ thị nhiệt độ

(Nguồn: US EPA, The Encyclopedia of Earth, 2012)

Đảo nhiệt bề mặt là hiện tượng xảy ra vào ban ngày với ánh nắng mặt trời

làm nóng các bề mặt không được che phủ như mái nhà, tường, lề đường ở khu vực trung tâm đô thị, nhiệt độ có thể từ 27oC- 50oC cao hơn nhiệt độ không khí Trong khi đó, khu vực nông thôn và công viên do có nhiều bóng râm nên nhiệt độ các bề mặt có thể gần với nhiệt độ không khí Hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt diễn ra

cả ngày và đêm, thay đổi theo mùa do sự thay đổi cường độ ánh sáng mặt trời cũng như độ che phủ bề mặt và thời tiết nhưng mạnh nhất vào ban ngày đặc biệt vào mùa hè với cường độ ánh sáng mặt trời mạnh (Oke, 1982)

Đảo nhiệt không khí là hiện tượng mà không khí ở khu vực trung tâm đô thị

ấm hơn không khí ở vùng ngoại ô Ngoài ra, theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa

Kỳ - Environmental Protection Agency (EPA) đã chia đảo nhiệt không khí thành hai loại:

- Đảo nhiệt đô thị dưới tầng tán: xảy ra tại tầng không khí thấp, nơi con

người sinh sống, có thể tính từ mặt đất đến các mái nhà hoặc đỉnh cây

- Đảo nhiệt đô thị biên: bắt đầu tính từ mái nhà hoặc đỉnh cây lên vùng khí

quyển bên trên, khoảng 1,5km

Hình 1.2: Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí trên khu đô thị

(Nguồn:Voogt, 2000)

Nhiệt độ bề mặt ảnh hưởng gián tiếp nhưng đóng vai trò quan trọng đối với nhiệt độ không khí, đặc biệt dưới tầng tán (vùng gần nhất với bề mặt) Công viên, các khu vực có thảm thực vật thường có nhiệt độ bề mặt mát hơn góp phần làm cho nhiệt độ không khí lạnh hơn Cấu trúc xây dựng dày đặc thường dẫn đến nhiệt độ không khí ấm hơn Nhiệt độ không khí thường ít biến đổi hơn nhiệt độ bề mặt do

sự hòa trộn không khí trong khí quyển và ảnh hưởng của điều kiện khí tượng (Oke, 1982)

Tác động của đảo nhiệt đô thị

1.1.2.

Bên cạnh một số tác động tích cực như kéo dài mùa màng cho cây phát triển, giúp cộng đồng có thể hưởng lợi từ việc làm ấm bầu không khí vào mùa đông, làm giảm nhu cầu năng lượng dùng cho sưởi ấm, v.v… UHI có nhiều tác động tiêu cực

và những tác động này ảnh hưởng đến con người theo nhiều cách khác nhau Nhiệt

độ cao từ UHI, đặc biệt trong mùa hè có thể ảnh hưởng đến môi trường và chất lượng cuộc sống do tăng nhu cầu sử dụng điện, năng lượng cho thiết bị làm mát Vì vậy làm tăng cao phát thải khí thải độc hại và gây ra ô nhiễm không khí Nhiệt độ tăng cao vào ban ngày, giảm làm mát vào ban đêm, cộng với mức ô nhiễm không khí cao trong hiệu ứng UHI, gây ra thời tiết cực đoan Điều này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của con người do gây ra sự khó chịu cũng như khó khăn về hô hấp, chuột rút do nhiệt, đột quỵ không gây tử vong hoặc thậm chí gây ra tử vong liên quan đến nhiệt và tạo ra các gánh nặng về y tế

Hiện tượng số trận mưa lớn xuất hiện với tần suất tăng dần theo thời gian đã được giải thích bởi hiệu ứng đảo nhiệt (Heat Island Effect), mặc dù cho đến nay vẫn chưa thể tái hiện lại một mô hình vật lý đủ tin cậy cho vấn đề này Tình trạng nhiệt độ gia tăng liên tục và ngày càng nhanh dần kể từ thập niên 90 của thế kỷ trước trùng khớp với lý thuyết của hiệu ứng đảo nhiệt và góp phần lý giải hiện tượng mưa lớn xuất hiện ngày càng thường xuyên ở các khu vực đô thị hoá Đây không phải là vấn đề cá biệt của TPHCM mà đã được tổng kết trên khắp thế giới từ nhiều thập niên Tình trạng gia tăng liên tục của mực nước trên sông Sài Gòn cùng với những trận mưa có vũ lượng lớn xuất hiện ngày càng thường xuyên hơn, trong khi hệ thống thoát nước và kiểm soát triều vẫn chưa đủ khả năng đáp ứng đã làm cho tình trạng ngập lụt đô thị ở TPHCM ngày càng trở nên trầm trọng Hơn 70 vị trí ngập xuất hiện ở TPHCM sau những cơn mưa có vũ lượng từ 40 mm trở lên ngay cả khi thủy triều đang ở mức thấp cho thấy dòng chảy tràn đô thị do mưa lớn vượt quá khả năng thoát nước của cống đang là tác nhân gây ngập chủ yếu hiện nay (Hồ Long Phi, 2009)

Đảo nhiệt ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu do sự gia tăng ô nhiễm không khí

và phát thải khí hiệu ứng nhà kính Đảo nhiệt cũng ảnh hưởng đến sự lan truyền âm thanh, không chỉ làm tăng nhiệt độ không khí mà còn làm thay đổi hình dạng dị biệt về nhiệt (các thông số nhiệt độ theo chiều dọc) Sự thay đổi dị biệt về nhiệt dẫn đến thay đổi khúc xạ lan truyền âm thanh Trong một vài trường hợp nó có thể ảnh hưởng đến những khu vực cản tiếng ồn và nhanh chóng thay đổi sự phân bố ô nhiễm tiếng ồn ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất và sức khỏe cộng đồng (EPA,

Đảo nhiệt sẽ làm tăng nhu cầu sử dụng nước và làm suy giảm chất lượng nước Vào mùa hè khi xảy ra UHI thì nhu cầu làm mát sẽ tăng cao Bên cạnh việc

sử dụng năng lượng từ thiết bị làm mát, việc sử dụng nguồn nước để làm mát cũng như nhu cầu sinh hoạt cũng tăng cao, gây ra sự thiếu hụt về nguồn nước Nhiệt độ nước tăng làm ảnh hưởng đến khía cạnh đời sống thủy sinh đặc biệt là sự trao đổi chất và sinh sản của nhiều loài thủy sinh dưới nước

Hiện nay khoảng một nửa dân số sống ở các khu vực đô thị Trong tương gần

tỷ lệ này sẽ tăng gần 70% dân số sống ở đô thị vào năm 2030, nó là kết quả của sự

di dân từ nông thôn ra thành thị Qua đó, các tòa nhà, các công trình và nhu cầu sử dụng năng lượng đáp ứng lại cho cuộc sống tiện nghi thoải mái cũng ngày một tăng Điều này tạo ra nhiều mối quan tâm ngày càng lớn trước những tác động tiêu cực mà nó gây ra

số bị bốc hơi trên đường rơi xuống do đi qua không khí khô, tạo ra một dạng khác của sự ngưng đọng

Mưa đóng một vai trò quan trọng trong chu trình thủy học trong đó nước từ các đại dương (và các khu vực khác có chứa nước) bay hơi, ngưng tụ lại thành các đám mây trong tầng đối lưu của khí quyển do gặp lạnh, khi các đám mây đủ nặng, nước sẽ bị rơi trở lại Trái Đất, tạo thành mưa, sau đó nước có thể ngấm xuống đất hay theo các con sông chảy ra biển để lại tiếp tục lặp lại chu trình vận chuyển

a Lượng mưa:

Lượng mưa tại một khu vực nào đó được đo bằng các máy đo lượng mưa đặt tại một số điểm ngẫu nhiên, xa khu vực có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Nó là độ cao lượng nước thu được sau cơn mưa trên một bề mặt phẳng,

không bị nhà cửa hay cây cối bao phủ hay che lấp và có thể được tính bằng mm hay L/m² Độ chính xác của các máy đo có thể đạt tới 0,25 mm

Lượng mưa lớn hay nhỏ là một quá trình xảy ra trên diện tích rộng tùy từng khu vực Hiện tượng mưa lớn là hệ quả của một số loại hình thời tiết đặc biệt như bão, áp thấp nhiệt đới hay dải hội tụ nhiệt đới, Đặc biệt khi có sự kết hợp giữa chúng với nhau ở cùng một thời điểm sẽ càng nguy hiểm hơn, gây nên mưa to, gió lớn, dông, mưa đá trong một thời gian dài trên một phạm vi rộng Có thể xảy ra ở một khu vực, hay nhiều khu vực cùng một lúc hay khác lúc Chúng có thể mưa liên tục trong nhiều giờ, nhiều ngày cũng có thể mưa ngắt quãng từng trận khác nhau Căn cứ vào lượng mưa thực tế đo được 24h tại các trạm quan trắc khí tượng bề mặt, trạm đo mưa trong mạng lưới khí tượng thủy văn mà phân định các cấp mưa khác nhau theo quy định của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) Theo đó, mưa lớn được chia làm 3 cấp:

 Mưa vừa: lượng mưa được đo từ 16 đến 50 mm/24h

 Mưa to: lượng mưa đo được từ 51 đến 100 mm/24h

 Mưa rất to: lượng mưa đo được > 100 mm/24h

Lượng mưa được tính từ 19 giờ ngày hôm trước đến 19 giờ ngày hôm sau Trong các nghiên cứu về ảnh hưởng của mưa thì cấp mưa to 51 - 100 mm/24h bắt đầu có những ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống con người

Mưa lớn diện rộng được định nghĩa là quá trình mưa lớn xảy ra ở một hay nhiều khu vực dự báo liền kề với tổng số trạm quan trắc quy định sau: Một khu vực

dự báo được coi là có mưa lớn diện rộng khi mưa lớn xảy ra quá một nửa số trạm trong toàn bộ số trạm có quan trắc mưa thu thập được của khu vực đó; mưa lớn xảy

ra ở 02 hoặc 03 khu vực dự báo liền kề nhau thì khi tổng số trạm quan trắc mưa lớn phải vượt quá 1/2 hoặc 1/3 tổng số trạm có quan trắc mưa thu thập được trong 02 hoặc 03 khu vực liền kề Chú ý khi mưa lớn xảy ở nhiều khu vực liền kề nhau thì các trạm quan trắc được tính cũng phải liền kề nhau trong khu có mưa đó Việc mô

tả khu vực xảy ra mưa lớn diện rộng phải căn cứ trên việc phân chia các khu vực nhỏ trong các khu vực dự báo đang được sử dụng hiện nay (Mai Hương, 2014)

b Những nhân tố ảnh hưởng đến lượng mưa: (Cadasa, 2017)

 Khu áp thấp: thường có mưa nhiều

 Khu áp cao: thường mưa ít hoặc không mưa (vì không khí ẩm không bốc lên được, không có gió thổi đến mà có gió thổi đi)

Front: Miền có front, nhất là dải hội tụ đi qua, thường mưa nhiều

Gió:

 Gió mậu dịch: mưa ít

 Gió tây ôn đới thổi từ biển vào gây mưa nhiều (Tây Âu, Tây Bắc Mĩ)

 Miền có gió mùa: mưa nhiều (vì một nửa năm là gió thổi từ đại dương vào lục địa)

Dòng biển: Tại vùng ven biển

 Dòng biển nóng đi qua: mưa nhiều (không khí trên dòng biển nóng chưa nhiều hơi nước, gió mang vào lục địa)

 Dòng biển lạnh: mưa ít

Địa hình:

 Cùng một sườn đón gió: càng lên cao, nhiệt độ giảm, mưa nhiều và

sẽ kết thúc ở một độ cao nào đó

 Cùng một dãy sườn đón gió ẩm: mưa nhiều, sườn khuất gió mưa ít

Vai trò của nước mưa

1.2.2.

Nước mưa có thể cung cấp nước uống cho các loài động vật, nuôi dưỡng các loài thực vật sinh sôi và phát triển Hiện nay, tình trạng nước mặt và nước ngầm ngày càng trở nên khan hiếm và chất lượng bị suy giảm, nước mưa trở thành nguồn cung cấp nước bổ sung cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau tùy theo chất lượng nước như:

 Sinh hoạt: uống, nấu ăn, xối rửa nhà vệ sinh, tưới cây, rửa xe, dập cháy trong trường hợp có cháy nổ,…

 Hoạt động nông nghiệp: tưới tiêu, chăn nuôi

 Công nghiệp: tận dụng trong dây chuyền sản xuất, dập tắt đám cháy

 Do tác động của đô thị hóa, bề mặt đất bị bê tông hóa, vỉa hè lát gạch nên vào mùa mưa, những cơn mưa kéo dài làm lượng nước mưa chảy tràn trên các bề mặt là rất lớn, không thể thấm vào lòng đất, hệ thống thoát nước của thành phố không thể đáp ứng dẫn đến tình trạng ngập lụt Nguồn nước mưa ấy có thể được thu gom và tận dụng cho thành phố như tưới cây xanh trong công viên, làm mát và làm sạch đường vào mùa khô nắng nóng, bụi bặm

Nguồn nước mặt đang đối diện với nguy cơ ô nhiễm nặng nề từ các chất thải

từ các hoạt động sản xuất, sinh hoạt, khả năng tự làm sạch và điều hòa ô nhiễm của các con sông, suối ngày càng suy giảm Do đó, nước mưa góp phần trong việc pha loãng các nguồn nước đang bị ô nhiễm để phục hồi các quá trình hóa học và sinh học

Nước mưa thấm xuống đất có thể ngăn ngừa việc các thành phố bị hủy hoại

do ô nhiễm nhiệt, phòng ngừa tình trạng khan hiếm nước và cải thiện môi trường

đô thị, góp phần tái nạp nguồn nước dưới đất (Đại Đoàn Kết, 2005)

Nước mưa khi chảy tràn trên bề mặt có tác dụng rửa trôi các chất ô nhiễm và đem theo một lượng lớn các chất thải, làm sạch bề mặt

Mưa đô thị

1.2.3.

Các thành phố hiện nay được tổ chức và cấu tạo với bề mặt gồ ghề cao thấp khác nhau như một hòn núi so với khu vực ngoại thành xung quanh Điều này khiến cho các ngọn gió mang hơi ẩm thổi đến sẽ bị cản bởi độ cao của các tòa nhà

và sẽ hành xử như trường hợp mưa địa hình

Mưa địa hình là mưa rơi xuống do tác động của địa hình ở các địa phương khi không khí ẩm gặp núi, theo sườn núi bốc lên (sườn núi hướng mặt trời bị đốt nóng nhiều hơn), hơi nước ngưng kết thành mây và tạo mưa Trường hợp địa hình núi cao, mưa sẽ rơi xuống hầu hết ở phía sườn đón gió Trong khi đó, ở phía sườn khuất gió sẽ bị khô nóng, ít mưa hoặc không mưa Trường hợp địa hình tương đối

và núi trải dài, lượng mưa sẽ rơi dần từ vùng đón gió và trên núi, khi qua đến vùng khuất gió thì lượng mưa sẽ giảm đi (Hình 1.3)

(a)

(b)

Hình 1.3: Sơ đồ hình thành (a) mưa địa hình và (b) mưa đô thị

(Nguồn: Barcelona Field Studies Centre, 2017) Các thành phố tạo ra các tâm khô và ấm với sự bay hơi đáng kể, ngược với sự hình thành mưa Nói cách khác, đô thị hóa đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế hơi nước được vận chuyển bởi gió biển từ đại dương đến khu vực vùng núi trong đất liền Nghiên cứu của Chuan-Yao Lin và Wan-Chin Chen (2011) cho thấy các đặc trưng khác biệt của các vị trí mưa trên khu vực dưới gió của thành phố Ông cho rằng đô thị hóa có thể ảnh hưởng đến mưa trên các khu vực đồng bằng ở thượng nguồn Tình trạng này hoàn toàn khác biệt từ các nơi khác với khu đô thị nằm trên vùng đồng bằng rộng lớn gây nên mưa tăng cường vùng hướng gió đô thị

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Công nghệ viễn thám đã và đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới trong công tác quản lý giám sát tài nguyên và môi trường Đặc biệt viễn thám nhiệt đã góp phần quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quản lý nhiệt độ đô thị dưới ảnh hưởng của BĐKH Trong khi đó ở nước ta, việc áp dụng rộng rãi công nghệ viễn thám trong giám sát UHI và bản đồ hóa tác động vùng đảo nhiệt vẫn chưa được quan tâm đúng mức và chỉ dừng lại ở công tác nghiên cứu và học tập

Nghiên cứu trên thế giới

1.3.1.

 Đảo nhiệt đô thị

Đảo nhiệt đô thị được biết đến đầu tiên vào năm 1833 với nghiên cứu của Luke Howard ở khu vực London (Anh) Đến năm 1982, Oke đã đưa ra giả thuyết hai nguyên nhân gây ra hiện tượng đảo nhiệt đô thị: tính chất bề mặt (tính chất hình học, tính chất hấp thụ nhiệt của bề mặt) và điều kiện khí quyển (gió, mây) Nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị bằng công nghệ viễn thám bắt đầu với việc sử dụng ảnh hồng ngoại nhiệt NOAA AVHRR, ảnh TERRA/MODIS, ảnh LANDSAT hoặc ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận từ máy bay ở độ cao thấp Ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT với độ phân giải không gian 120m (TM), 60 m (ETM+), 100 m (OLI) cung cấp thông tin rõ ràng hơn về sự thay đổi nhiệt độ mặt đất so với ảnh NOAA AVHRR, do vậy có thể được sử dụng hiệu quả trong nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị

Giám sát nhiệt độ bề mặt đất (LST - Land surface temperature) có tầm quan trọng hàng đầu trong nghiên cứu UHI LST có mối liên hệ trực tiếp với bức xạ bề mặt và trao đổi năng lượng, bản chất khí hậu và hoạt động của con người (Weng, 2009) Trước khi công nghệ viễn thám ra đời, UHIs được nghiên cứu bởi các quan sát trên mặt đất từ các trạm quan trắc hoặc các nhiệt kế gắn trên xe (Voogt & Oke, 2003) Với sự ra đời của vệ tinh và máy bay, viễn thám hồng ngoại nhiệt đã cung cấp những phát triển mới cho việc nghiên cứu UHIs

UHIs được nghiên cứu đầu tiên bằng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu của Rao vào năm 1972 Sau đó, nhiều nghiên cứu khác nhau được thực hiện bằng quan sát từ xa về UHIs

Năm 1981, Samuel N Goward dẫn chứng hàng loạt các nghiên cứu của Rao, 1972; Alexander et al., 1976; White and Eaton, 1977; Carlson, Augustine, and Boland, 1977; Matson et al., 1978; Price, 1979 sử dụng bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt đo lường bức xạ ở giới hạn trên của khí quyển nhằm ghi nhận hiện tượng ấm lên bề mặt vào ban ngày ở khu vực đô thị

Những nghiên cứu này có thể phân loại thành 3 nội dung chính như sau:

(1) Tập trung vào những nghiên cứu đã sử dụng viễn thám nhiệt để đánh giá cấu trúc không gian của mô hình nhiệt đô thị và quan hệ của chúng với các đặc trưng bề mặt đô thị Một số cảm biến vệ tinh được phát triển để trích LST từ không gian như là Landsat TM/ETM+, ASTER, AVHRR và MODIS Một số nghiên cứu đầu tiên được thực hiện để đánh giá mô hình không gian của UHIs bằng việc trích LST và xem xét mối liên hệ của chúng các đặc trưng của độ che phủ đất và sử dụng đất (Lougeay, Brazel, & A.& Hubble, 1996) Những điều tra sâu hơn cho thấy biến đổi khí hậu về nhiệt độ đô thị có liên quan đến đặc trưng bề mặt, chẳng hạn như là NDVI (Lo, Quattrochi, A., & Luvall, 1997) Weng et al (2004) đã đánh giá mối quan hệ giữa LST và thực vật phát triển tại khu vực đô thị trên những phạm vi khác nhau và chỉ ra tầm quan trọng của các mức độ và mô hình tác động trong khi đánh giá mối quan hệ của chúng Những phân tích sau đó tìm ra nguồn gốc sinh ra UHIs có liên quan đến hình dạng bề mặt và tính chất nhiệt bề mặt (Voogt & Oke, 2003)

(2) Tập trung vào những nghiên cứu về sự cân bằng năng lượng bề mặt đô thị Mô hình khí hậu đô thị và và quan sát viễn thám được kết hợp để nghiên cứu những sự cân bằng này Một đánh giá toàn diện về cách tiếp cận cân bằng năng lượng và phát triển của chúng trong khu vực đô thị được đưa ra trong nghiên cứu của Oke (1982), ông cho rằng thuộc tính của UHI có liên quan đến đô thị hóa và được kiểm soát bởi cấu trúc, hình dạng, độ bao phủ và trao đổi chất trong đô thị Tuy nhiên, Weng (2009) đã chỉ ra rằng nó vô cùng tốn kém và khó khăn để điều tra các mô hình không gian chi tiết của các dòng năng lượng trong vùng đô thị khi xem xét đến tính chi phí, thời gian, dụng cụ và hiệu chuẩn dữ liệu trong thực hiện

(3) Ứng dụng viễn thám nhiệt trong nghiên cứu tương quan giữa AHIs và

UHIs Một số nghiên cứu kết hợp giữa quan sát từ xa và quan sát trên mặt dất để

xem xét mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí Tuy nhiên không

có mối quan hệ chung cơ bản giữa chúng mà chỉ dừng lại ở mối quan hệ thực nghiệm trong quy mô không gian nhỏ khi có sự hòa trộn không khí, biết rõ các tính chất nhiệt của vật liệu đô thị và tốc độ gió thổi (Voot và Oke, 2003) Các nghiên cứu cho thấy gió thổi nhiệt theo hướng ngang ( tầng bình lưu) và bóng tối là những yếu tố quyết định mối quan hệ giữa UHIs và AHIs.

Dải quang phổ điện từ (3-35μm) cho phép thu nhận bức xạ và ước tính nhiệt

độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8-14μm Một số vệ tinh có nhiều cảm biến trong phổ hồng ngoại nhiệt cung cấp dữ liệu hữu ích cho việc xác định LST Mỗi cảm biến có ưu và khuyết điểm khác nhau về độ phân giải không gian và thời gian để thu được dữ liệu LST Những cảm biến nhiệt có độ phân giải thời gian cao nhưng phân giải không gian lại thấp như MODIS, AVHRR, AASTR, SEVIRI và GOES Ngược lại, các cảm biến với độ phân giải không gian cao lại có vấn đề về

độ phân giải thời gian thấp như các dòng sản phẩm của Landsat, Aster Tùy thuộc vào mục đích giám sát nhiệt độ mà chúng ta có thể sử dụng dữ liệu vệ tinh cho phù hợp

Năm 2008, trong bản tóm lược về Đảo nhiệt đô thị của EPA, để xác định đảo nhiệt đô thị, các nhà khoa học sử dụng các phương pháp trực tiếp và gián tiếp, mô hình số, và các ước tính dựa trên mô hình thực nghiệm Các nhà nghiên cứu thường

sử dụng cảm biến từ xa, một kỹ thuật đo lường gián tiếp, để ước tính nhiệt độ bề mặt Họ sử dụng các dữ liệu thu thập được để tạo ra hình ảnh nhiệt, từ đó đưa ra các kết luận về đảo nhiệt đô thị

Năm 2014, Adeline Ngie và các cộng sự của mình đã có một tổng quan về đánh giá đảo nhiệt đô thị khi sử dụng hình ảnh vệ tinh viễn thám trên thế giới

 Mưa đô thị

Năm 1996, Ernesto Jauregui và Ernesto Romales đã có nghiên cứu “Hiệu ứng đô thị đối với lượng mưa đối lưu ở thành phố Mexico”, bài viết báo cáo liên quan về lượng mưa đối lưu bất thường ở đô thị tại một thành phố nhiệt đới Vào mùa mưa (tháng Năm đến tháng Mười) lượng mưa cho khu vực đô thị (Tacubaya), một xu hướng quan trọng trong giai đoạn 1941-1985 cho thấy hiệu ứng đô thị đã được tăng lên khi thành phố phát triển Mặt khác, lượng mưa tại một trạm (ngược

gió) ở ngoại ô dường như không bị ảnh hưởng bởi đô thị hóa, thì không có thay đổi Phân tích các ghi chép lịch sử về lượng mưa theo giờ của một trạm đô thị cho thấy rằng tần số mưa với cường độ cao (> 20 mm h- t) đã tăng lên trong những thập kỷ gần đây Sử dụng một mạng lưới các trạm mưa quan trắc tự động, phân phối dày đặc nhằm hiển thị một loạt các cực đại trong chu vi đô thị mà có thể liên quan đến hiện tượng đảo nhiệt Đẳng thời gian của sự khởi đầu của cơn mưa được

sử dụng để ước tính hướng và tốc độ di chuyển của các đám mây gây mưa Hiện tượng đảo nhiệt ban ngày dường như được kết hợp với việc tăng cường các cơn mưa

Năm 2000, Jong-Jin Baik cùng cộng sự đã có nghiên cứu “Đối lưu khô và ẩm bởi đảo nhiệt đô thị” Nghiên cứu này điều tra số lượng đối lưu khô và ướt buộc bởi đảo nhiệt đô thị bằng cách sử dụng không gian hai chiều, không thủy tĩnh, mô hình nén với đám mây bằng quá trình vật lý vi mô (Hệ thống dự báo chi tiết khu vực) Đảo nhiệt đô thị được thể hiện bằng cách xác định nhiệt Thí nghiệm với biên

độ nhiệt khác nhau, đại diện cho cường độ của đảo thị nhiệt, tốc độ gió cơ bản, và

độ ẩm tương đối ở trạng thái cơ bản, được thực hiện để kiểm tra vai trò của chúng trong việc mô tả đối lưu do đô thị gây ra Hai chế độ dòng chảy có thể được xác định trong mô phỏng khô Một chế độ chỉ được đặc trưng bởi các sóng trọng lực tĩnh gần các khu vực nóng và được thể hiện khi cường độ đảo nhiệt đô thị là rất yếu Các chế độ khác được đặc trưng bởi cả sóng trọng lực tĩnh gần khu vực nóng

và bởi hướng gió di chuyển theo hướng hạ lưu Cường độ di chuyển của hướng gió tăng dần như là tăng cường độ đảo nhiệt hoặc giảm tốc độ gió cơ bản Kết quả mô phỏng ẩm chứng minh rằng gió gây ra bởi đảo nhiệt đô thị có thể khởi tạo đối lưu

ẩm và gây mưa bề mặt ở khu vực hạ lưu khi các điều kiện nhiệt động ở trạng thái

cơ bản là thuận lợi Khi đảo nhiệt đô thị tăng lên, cần thời gian cho các đám mây đầu tiên (hoặc nước mưa) giảm sự hình thành và vị trí ngang của nó là gần với tâm nhiệt Nó được thể hiện rằng đối với cùng một tốc độ gió cơ bản và cường đô đảo nhiệt đủ mạnh, cần thiết để kích hoạt đối lưu ẩm trong điều kiện nhiệt động lực cơ bản chưa thuận lợi

Nhằm xem xét đặc trưng mưa cũng như phân tích sự khác biệt giữa khu vực nội thành và ngoại thành, năm 2002, S M Robaa đã có một nghiên cứu về sự khác biệt giữa nội thành, ngoại thành và nông thôn ở Cairo, Ai Cập Nhiệt độ không khí,

áp suất hơi và sự khác biệt về độ ẩm tương đối vào các giờ cố định trong các quận nội thành, ngoại thành và nông thôn của khu vực Cairo, Ai Cập, đã được nghiên cứu và sử dụng dữ liệu cho giai đoạn từ 1995-2000 Kết quả cho thấy rằng, tổng lượng mưa ở các khu vực nông thôn luôn luôn lớn hơn so với tại các khu vực ngoại thành và đô thị, cụ thể có giá trị cao hơn ở khu vực ngoại thành trong tháng 10 đến khoảng tháng 1 Có thể dễ dàng nhận thấy rằng sự phân bố lượng mưa tỷ lệ với mức độ đô thị hóa ở mỗi trạm quan trắc, bất cứ khi nào đô thị hóa gia tăng, tổng lượng mưa giảm Mùa lạnh (tháng 11 đến tháng 1) được coi là mùa mưa vì tổng lượng mưa tối đa ở khu vực nghiên cứu diễn ra trong tháng 12 (lần lượt là 16,3; 12,7 và 8,3 mm đối với khu vực nông thôn, ngoại thành và các đô thị) trong khi giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 9 là không mưa

Lần lượt năm 2002, và năm 2013, từ nghiên cứu “Thay đổi lượng mưa ở các khu đô thị lớn: Quan sát từ không gian radar trên vệ tinh TRMM”, và nghiên cứu

“Phát hiện nguyên nhân lượng mưa bất thường ở một thành phố lớn ven biển”, J Marshall Shepherd và cộng sự đã sử dụng dữ liệu từ Đoàn đo mưa nhiệt đới (TRMM), với radar vệ tinh đo mưa (PR) đã được sử dụng để xác định lượng mưa mùa nóng (1998-2000) nguồn từ xung quanh khu vực Atlanta, Georgia; Montgomery, Alabama; Nashville, Tennessee; và San Antonio, Waco, và Dallas, Texas Kết quả cho thấy tỷ lệ lượng mưa hàng tháng tăng trung bình khoảng 28% trong vòng 30-60 km theo hướng gió của các đô thị, với mức tăng khiêm tốn 5,6%

so với các đô thị Một số phần của các khu vực trên theo hướng gió tăng cao 51% Những thay đổi tỷ lệ phần trăm là tương đối với một khu vực kiểm soát hướng gió Nghiên cứu cũng cho thấy rằng tỷ lệ lượng mưa tối đa trong vùng ảnh hưởng theo hướng gió vượt quá giá trị trung bình trong khu vực kiểm sóat hướng gió từ 48% -116% Giá trị tối đa thường được tìm thấy tại một khoảng cách trung bình là 39 km

từ rìa của các trung tâm đô thị, 64 km từ trung tâm của thành phố Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu Thí nghiệm khí tượng đô thị (METROMEX) của St Louis, Missouri, gần hai thập kỷ trước đây và có nhiều nghiên cứu gần đây ở Atlanta Nghiên cứu thiết lập khả năng sử dụng các ước tính lượng mưa dựa trên vệ tinh để xem xét sửa đổi lượng mưa của khu vực đô thị trên quy mô toàn cầu và những khoảng thời gian dài hơn Nghiên cứu như vậy có ảnh hưởng đến dự báo thời tiết,

quy hoạch đô thị, quản lý tài nguyên nước, và tác động của con người về hiểu biết đối với môi trường và khí hậu

Năm 2011, từ nghiên cứu “Tác động của đảo nhiệt đô thị đối với lượng mưa tại một khu phức hợp địa lý môi trường ở phía Bắc Đài Loan”, Chuan-Yao Lin cùng các cộng sự của mình đã nhận thấy rằng để đánh giá tác động của các hòn đảo nhiệt đô thị có hiệu lực đối với lượng mưa trong một môi trường địa lý phức tạp ở miền bắc Đài Loan, các thế hệ tiếp theo quy mô mô hình trung gian, các mô hình

dự báo và nghiên cứu thời tiết (WRF), kết hợp với các mô hình bề mặt đất Noah và

mô hình tán thành thị (UCM), được sử dụng để nghiên cứu vấn đề này Hệ thống

đo lượng mưa đã được tìm thấy để phát triển tuy muộn hơn nhưng mạnh hơn trong trường hợp đô thị (MODIS) so với trường hợp phi đô thị (USGS) So với các quan sát bằng radar, kết quả mô phỏng dự đoán khá tốt; không những hệ thống gây mưa tăng cường theo hướng gió ở các thành phố trong khu vực miền núi, mà nó cũng đã xảy ra tại khu vực đồng bằng có hướng gió trong trường hợp MODIS Các kết quả

mô phỏng cho thấy rằng việc phân loại sử dụng đất đúng là rất quan trọng đối với

mô hình nghiên cứu đảo nhiệt đô thị Ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị đóng một vai trò quan trọng trong quá trình nhiệt và năng lượng nhiễu loạn; nó ảnh hưởng đến vị trí của giông bão và mưa trên các môi trường địa lý phức tạp ở miền bắc Đài Loan Năm 2013, S.A Moges và cộng sự thực hiện nghiên cứu “Mô hình đặc biệt của biến đổi lượng mưa lớn tại trung tâm đô thị của Thủ đô Addis Ababa, Ethiopia” Bài viết này xem xét những thay đổi lịch sử lâu dài trong tần số và biên

độ cực đại lượng mưa trong hai trạm rất gần Addis Ababa, đó là Đài quan sát Addis Ababa (AAO) và Buồng Addis Ababa(AAB) bao gồm một số phép đo xung quanh bằng cách sử dụng dữ liệu từ nửa cuối thế kỷ 20 Các phương pháp được sử dụng để kiểm tra các xu hướng và mô hình dao động là phương pháp nhiễu quantile, đặc biệt thiết kế cho điều kiện khắc nghiệt Kết quả rằng Đài quan sát Addis Ababa (AAO) cho thấy một xu hướng ngày càng tăng đặc biệt trong sự kiện khắc nghiệt của nó, trong khi phần còn lại của các trạm hiển thị một mô hình dao động Một lý do có thể do xu hướng tăng được liên kết với các đô thị hóa ngày càng tăng đã xảy ra ở thành phố Addis Ababa trong những thập kỷ qua Mặc dù hiện nay sự thay đổi có thể không nghiêm trọng, thì điều quan trọng là phải lưu ý

xu hướng ngày càng tăng để tránh những hậu quả trong tương lai

Năm 2014, Adeline Ngie và các cộng sự của mình đã có một tổng quan về đánh giá đảo nhiệt đô thị khi sử dụng hình ảnh vệ tinh viễn thám, trong đó tác động ảnh hưởng UHI vào sự phát triển của hiện tượng khí tượng như tăng lượng mưa, làm tăng nhu cầu năng lượng, đặt ra mối đe dọa đến chất lượng môi trường và tính bền vững lâu dài của các địa phương, và có khả năng góp phần vào sự ấm lên toàn cầu (Kikegawa, Genchi, Kondo, & Hanaki, 2006; Yang và Liu, không có ngày)

Nghiên cứu ở Việt Nam

1.3.2.

 Đảo nhiệt đô thị

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có vài một số nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt trong việc ước tính LST và phân bố UHI theo không gian và thời gian

Tác giả Trần Thị Vân (2005) và (2006) khai tác kênh nhiệt LANDSAT ETM + để tính toán khôi phục nhiệt độ cho khu vực phía bắc thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ mới dừng ở mức tính toán nhiệt độ bức xạ trên

vệ tinh mà chưa xem xét đến yếu tố độ phát xạ để chuyển về nhiệt độ bề mặt thực Năm 2006, trong nghiên cứu của TS Trần Thị Vân về “Ứng dụng viễn thám nhiệt khảo sát đặc trưng nhiệt độ bề mặt đô thị với sự phân bố các kiểu thảm phủ ở thành phố Hồ Chí Minh”, nghiên cứu sử dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt, gọi tắt

là Viễn thám nhiệt liên quan đến các sóng điện từ với bước sóng giữa 3,5 µm - 20

µm Hầu hết các ứng dụng viễn thám nhiệt thường sử dụng dãy sóng từ 8 µm đến

13 µm Nhiệt độ bề mặt được tính từ kênh nhiệt 6 của ảnh Landsat ETM+ với bước sóng từ 10.44 – 12.42 µm, độ phân giải 60m Phương pháp nghiên cứu dựa trên phép tính chuyển đổi nhiệt độ từ giá trị xám độ trên kênh nhiệt 6 của ảnh vệ tinh Landsat ETM+ Quá trình thực hiện bắt đầu từ việc chuyển đổi giá trị số (Digital Number - DN) sang giá trị bức xạ phổ (L?), sau đó chuyển đổi tiếp giá trị bức xạ này sang giá trị nhiệt độ

Có xem xét đến ảnh hưởng của độ phát xạ vật thể có thể kể đến công trình của tác giả Lê Văn Trung và cộng sự (2006 và 2007) đã tính toán thành lập bản đồ nhiệt độ cho toàn TPHCM bằng phương pháp NOR và REF, nhưng tác giả đã dùng

độ phát xạ chỉ là một hằng số cho toàn bộ ảnh

Nhóm tác giả Trần Hùng và cộng sự (2002a và 2002b), Hồ Tống Minh Đình

và cộng sự (2007) đã cho kết quả chi tiết hơn cho từng loại bề mặt thực khi sử dụng số liệu độ phát xạ kết quả và các hệ số hiệu chỉnh có sẵn từ các văn liệu của các tác giả nước ngoài Các số liệu về độ phát xạ này mang tính “vay mượn” của nước ngoài và chỉ áp dụng cho từng nhóm đối tượng (thực vật, đất, nước…), không thể hiện sự thay đổi chi tiết độ phát xạ của từng đối tượng cụ thể, vì vậy kết quả không phản ánh được nhiệt độ bề mặt thực từ các giá trị độ phát xạ bề mặt thực của vật thể trên khu vực nghiên cứu của mình, điều này dễ dẫn đến kết quả tính chưa chính xác so với thực tế (Trần Hùng & Yasuoka Y., 2002a)

Năm 2008, Lương Văn Việt và cộng sự đã trình bày kết quả bước đầu về nghiên cứu đảo nhiệt đô thị tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh bằng việc sử dụng

mô hình thời tiết quy mô vừa MM5 trong nghiên cứu “Một số kết quả bước đầu về ứng dụng Mô hình MM5 trong nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại thành phố

Hồ Chí Minh” Kết quả từ mô hình thời tiết này đã thể hiện được những ảnh hưởng

độ gồ ghề mặt đệm đô thị của các vật liệu xây dựng đến phân bố trường nhiệt mà nhất là sự thể hiện hiệu ứng đảo nhiệt đô thị trên khu vực đô thị

Năm 2011, tác giả Trần Thị Vân và nhóm nghiên cứu đã có công trình nghiên cứu về “Nghiên cứu thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dưới tác động của quá trình đô thị hóa ở thành phố Hồ Chí Minh bằng phương pháp viễn thám” Tác giả sử dụng kênh nhiệt của ảnh Landsat và Aster để tính nhiệt độ có hiệu chỉnh theo giá trị độ phát xạ bề mặt của vật thể mặt đất Giai đoạn quan sát của tác giả từ 1989 đến 2006 theo 4 thời điểm ảnh mốc là 1989, 1998, 2002 và 2006 Kết quả cho thấy độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt so với các điểm quan trắc mặt đất là ±1.95oC Đồng thời nhóm cũng đã xây dựng hàm hồi quy cho sự biến đổi nhiệt độ phụ thuộc vào 3 yếu tố đô thị là MKT, lớp phủ thực vật và mặt nước cho việc phân tích biến động UHIs theo cấu trúc không gian và thời gian trong nghiên cứu này (Trần Thị Vân, 2011)

Tiếp tục với đảo nhiệt đô thị, năm 2011, tác giả đã thực hiện nghiên cứu

“Biến đổi nhiệt độ đô thị dưới tác động của quá trình đô thị hóa bằng phương pháp viễn thám và GIS, trường hợp khu vực thành phố Hồ Chí Minh”, sử dụng phương pháp phân loại ảnh có kiểm định để khảo sát tình trạng biến động diện tích đất đô

thị và sử dụng các kênh nhiệt của ảnh vệ tinh để đánh giá tác động của nhiệt độ đến hiệu ứng đảo nhiệt đô thị Nghiên cứu này đã thành công trong việc xây dựng được mối tương quan của biến đổi nhiệt độ bề mặt đô thị liên quan đến các quá trình chuyển đổi bề mặt gồm 3 yếu tố chỉ thị Đô thị hóa gồm: bề mặt không thấm, lớp phủ thực vật và mặt nước từ phân tích hồi quy tuyến tính bội theo phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số

Trong nghiên cứu “Xu hướng phát triển không gian đô thị dưới góc nhìn viễn thám và hệ thống thông tin địa lý” của Th.S Phạm Bách Việt, tác giả sử dụng Dữ liệu ảnh quang học Landsat từ 1972 đến 2012 Các dữ liệu ảnh Landsat được thu thập từ U.S Geological Survey's Earth Resources Observation and Science (EROS) Center nhằm phân tích xu hướng phát triển không gian đô thị qua đó thể hiện mức độ gia tăng hiện tượng bê tông hóa, góp phần tạo hiện tượng đảo nhiệt đô thị

Vừa qua, vào tháng 11 năm 2016, đăng trên tạp chí Đại học Mỏ địa chất Hà Nội, tác giả Trần Thị Vân và cộng sự đã trình bày nghiên cứu “Phân tích không gian đảo nhiệt đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh” với sự hình thành và phát triển của đảo nhiệt đô thị bắt nguồn từ sự phát triển đô thị Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng đảo nhiệt đô thị có tác động tiêu cực đến chất lượng cuộc sống trong môi trường đô thị Ứng dụng viễn thám để nghiên cứu các đặc tính của đảo nhiệt

đô thị cho thấy bức tranh rõ ràng về sự phân bố cũng như tầm quan trọng và mức

độ chi tiết về việc phân bố đảo nhiệt bề mặt đô thị toàn khu vực Nghiên cứu này chứng minh rằng đảo nhiệt đô thị được hình thành bởi các hoạt động của con người, từ quá trình phát triển đô thị Cuối cùng, từ kết quả trên, nghiên cứu cũng đã đưa ra một số giải pháp để giảm sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình phát triển đô thị, hướng tới phát triển đô thị bền vững Kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh những ưu điểm của phương pháp viễn thám trong giám sát môi trường, đặc biệt là khu vực đô thị

 Mưa đô thị

Tác giả Lương Văn Việt đã thực hiện nghiên cứu của mình bằng cách sử dụng phương pháp EMD (Empirical Mode Decomposition) để xác định xu thế biến động khí hậu TPHCM Phương pháp này được Huang xây dựng năm 1998- 1999