Luận văn Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu lidar quan trắc xon khí

103 8.73 x 102 4.00 x 101 9 Xê-ôn Hơi hữu cơ 0.08 ca. 0.02 4.29 x 102 - 0.08 ca. 0.02 4.17 x 102 - Phân tầng khí quyển Khí quyển được phân thành 5 tầng chính với thứ tự từ trên xuống như sau: tầng ngoại quyển, tầng nhiệt quyển, tầng trung quyển, tầng bình lưu và tầng đối lưu. Bên trong tầng đối lưu có lớp một một lớp phụ quan trọng là lớp biên hành tinh, lớp này là phần của khí quyển chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các tác động của bề mặt trái đất. Hình Error! No text of specified style in document..3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24] 10 1.1.8. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển Bức xạ mặt trời khi truyền qua khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi các loại khí, xon khí, mây, và bề mặt trái đất. Phần bức xạ bị hấp thụ được thêm trực tiếp vào trữ lượng nhiệt; mặt khác bức xạ bị tán xạ có một phần quay trở lại không gian và một phần tiếp tục truyền trong khí quyển và tiếp tục bị hấp thụ và tán xạ [1]. Thông thường, mây có tác động lớn nhất đến bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt trái đất do các đặc điểm quang học và đặc tính vật lý của mây như độ che phủ, độ dày mà mây có thể hấp thụ hoặc tán xạ các tia bức xạ mặt trời và ngăn cản bức xạ tới bề mặt trái đất. Hơi nước hấp thụ bức xạ mặt trời, lượng hơi nước trong khí quyển biến đổi trong ngày và thay đổi theo mùa, nhiều hơi nước hơn trong mùa ẩm và ít hơi nước hơn trong mùa khô. Các hạt bụi nhỏ lơ lửng trong khí quyển tưởng chừng như vô hại cũng có tác động tương đối tới bức xạ mặt trời, các hạt này thường được gọi là xon khí, có nguồn gốc từ tự nhiên và cũng có thể do con người sinh ra. Chúng tác động tới bức xạ mặt trời dưới dạng hấp thụ và tán xạ bức xạ mặt trời, hoặc qua các quá trình biến đổi và xon khí vai trò làm hạt nhân ngưng kết để tạo mây, mưa. Ozone cũng là một loại xon khí tuy nhiên chúng tồn tại ở lớp khí quyển trên cao, lượng ozone tồn tại trong khí quyển thay đổi thei mùa và theo vĩ độ, ozone có vai trò chính là hấp thụ các bức xạ cực tím có hại cho con người. Ngoài ra còn các loại khí khác, như CO2 có tác động hấp thụ các phần bức xạ hồng ngoại của bức xạ mặt trời, nồng độ các khí này thay đổi theo thời gian và theo vị trí địa lý. 11 1.1.9. Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR Hệ số suy hao Đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển gây ra bởi sự hấp thụ và tán xạ. Trong khí quyển có hai loại tán xạ chính cần quan tâm là tán xạ gây ra bởi phân tử và tán xạ gây ra bởi xon khí hay các loại hạt lơ lửng trong khí quyển. Tán xạ phân tử hay còn gọi là tán xạ Rayleigh là tán xạ ánh sáng đàn hồi gây ra bởi các phân tử có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, do đó khí quyển Rayleigh được xác định là hầu như không tồn tại xon khí mà chỉ tồn tại các loại phân tử khí như Ô-xy, Ni-tơ và lớp khí quyển này thường tồn tại ở độ cao trên 4km. Tán xạ ánh sáng gây ra bởi xon khí hay các hạt có kích thước lớn hơn trong khí quyển được mô tả bởi định luật tán xạ xon khí hay còn gọi là tán xạ Mie. Các hạt này có kích thước lớn và đủ để so sánh sới bước sóng ánh sáng. Do đó hệ số suy hao trong khí quyển là đại lượng đặc trưng cho sự suy hao bức xạ mặt trời gây ra bởi phân tử và xon khí Error! No text of specified style in document.-2 Trong đó: : Hệ số suy hao tổng cộng : Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí : Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử 12 Hệ số tán xạ ngược Là đại lượng đặc trưng cho cường độ ánh sáng bị tán xạ trong một đơn vị thể tích theo một đơn vị góc khối. Trong nghiên cứu khí quyển bằng LIDAR, hệ số này thường được biết tới là hệ số tán xạ ngược, đặc trưng bởi sự tán xạ gây ra bởi phân tử và xon khí. Error! No text of specified style in document.-3 Trong đó: : Hệ số tán xạ ngược tổng cộng : Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi xon khí : Hệ số tán xạ ngược gây ra bởi phân tử Mối liên hệ giữa hệ số suy hao và hệ số tán xạ gây ra bởi xon khí Theo nghiên cứu của Klett thì hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược gây ra bởi xon khí có mối liên hệ với nhau theo hàm mũ như sau: Error! No text of specified style in document.-4 Với k là hệ số phụ thuộc vào bước sóng và đặc điểm của xon khí, giá trị của nằm trong khoảng [7]. 1.1.10. Lớp biên hành tinh Lớp biên hành tinh (lớp biên khí quyển) là lớp có độ dày 1,5 – 3 km dưới cùng. Trong phạm vi lớp này, sự phân bố các yếu tố khí tượng được xác định trực tiếp bởi tác động của mặt trải dưới và chuyển động rối. Điều đó thể hiện rõ rệt nhất là phân bố thẳng đứng của vận tốc gió. Vận tốc gió luôn bằng 13 không ở mặt trải dưới và tiến tới gió địa chuyển ở lớp trên của lớp biên khí quyển (với điều kiện đẳng áp ngang và các đường đẳng áp thẳng). Đặc tính của sự phân bố thẳng đứng của vận tốc gió giữa hai mưc này được xác định chủ yếu bởi chuyển động rối. Chuyển động rối này gây ra sự trao đổi động lượng giữa các lớp khác nhau và làm trơn profile gió. Lớp biên hành tinh có vai trò rất quan trọng trong khí quyển, cung cấp ẩn nhiệt, hiển nhiệt cho các lớp bên trên và bên dưới nó. Các quá trình thời tiết cũng xảy ra ở đây, các vấn đề về ô nhiễm không khí và chất lượng không khí cũng xảy ra ở đây, tác động trực tiếp đến cuộc sống của con người và các hệ sinh thái bên trong và dưới lớp biên. Xon khí 1.1.11. Định nghĩa Trong khoa học khí quyển, xon khí đại diện cho các hạt rắn và lỏng không bao gồm các khí mang. Các hạt xon khí có kích thước từ 1 nm cho tới vài trăm µm, có thể lớn cỡ các hạt mây và hạt băng [1]. Bảng Error! No text of specified style in document..2 Đặc tính của một số loại xon khí [25] Xon khí N reff ssa g å å (cm-3) (µm) (0.55µm) (0.55µm) (0.35– 0.55µm) (0.55– 0.8µm) Lục địa sạch 2600 0.247 0.972 0.709 1.1 1.42 Lục địa trung bình 15,300 0.204 0.925 0.703 1.11 1.42 Lục địa ô nhiễm 50,000 0.15 0.892 0.698 1.13 1.45 Đô thị 158,000 0.139 0.817 0.689 1.14 0.43 Xa mạc 2300 1.488 0.888 0.729 0.2 0.17 Đại dương sạch 1520 0.445 0.997 0.772 0.12 0.08 14 Đại dương ô nhiễm 9000 0.252 0.975 0.756 0.41 0.35 Đại dương vùng xích đạo 600 0.479 0.998 0.774 0.07 0.04 Bắc cực 6600 0.12 0.887 0.721 0.85 0.89 Nam cực 43 0.26 1 0.784 0.34 0.73 Tầng bình lưu (12-35 km) 3 0.243 1 0.784 0.74 1.14 Xon khí trong khí quyển có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có nguồn gốc tự nhiên như: nguồn gốc từ biển (hạt muối), hạt bụi khoáng do gió đưa lên, nguồn gốc từ núi lửa, nguồn gốc thực vật, và sản phẩm của các phản ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi...), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí,... Phân biệt xon khí nguyên thủy (phát ra trực tiếp vào khí quyển) và dạng thứ cấp tạo từ các sản phẩm phản ứng một số chất khí trong khí quyển [16]. Các đặc trưng cơ bản của xon khí: mật độ khối, mật độ khối theo kích thước, mật độ hạt, phân bố kích thước hạt, hình dạng, kích thước hình học, tính chất quang học (độ dày quang học, albedo, hệ số hấp thụ, tán xạ, hàm pha, chiết suất...), đặc điểm bề mặt, thành phần hóa học, nguồn gốc, thời gian tồn tại, đặc điểm quá trình (tất cả các thông số trên biến đổi trong quá trình tồn tại của xon khí) [16]. Trong Bảng Error! No text of specified style in document..2 có liệt kê một số loại xon khí cơ bản và các đặc trưng của chúng. 1.1.12. Độ dày quang học xon khí Là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển gây ra bởi xon khí. Độ dày quang học xon khí tại một bước sóng bất kỳ được xác định như sau: 15 Error! No text of specified style in document .-5 Theo một định nghĩa khác thì độ dày quang học xon khí là tích phân của hệ số suy hao gây ra bởi xon khí từ bề mặt lên tới đỉnh khí quyển, được xác định bởi công thức: Error! No text of specified style in document.-6 1.1.13. Các tác động của xon khí Ảnh hưởng của xon khí tới thời tiết, khí hậu: Xon khí thường tồn tại trong tầng đối lưu từ một ngày cho tới vài tuần và có thể tới một năm trong tầng bình lưu, do sự tồn tại này nên xon khí có tác động nhất định tới các quá trình thời tiết và khí hậu. Theo IPCC xon khí tác động tới thời tiết và khí hậu theo ba cách như sau: (1) Tác động trực tiếp là quá trình các loại xon khí hấp thụ và tán xạ bức xạ sóng ngắn và bức xạ sóng dài, do đó làm mất cân bằng cán cân bức xạ của khí quyển trái đất; (2) Tác động gián tiếp là quá trình các loại xon khí làm thay đổi các quá trình vi vật lý, bức xạ, lượng mây; (3) Tác động bán trực tiếp là quá trình các loại xon khí hấp thụ bức xạ sóng ngắn đẫn tới tăng nhiệt độ trong tầng đối lưu, làm thay đổi độ ẩm và do đó làm thay đổi sự hình thành mây và thơi gian tồn tại của mây [26]. 16 Ảnh hưởng của xon khí tới sức khỏe con người: Xon khí và các chất ô nhiễm gần đây đã trở thành một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu về ô nhiễm không khí do những ảnh hưởng đáng chú ý của nó đối với sức khoẻ con người. Các nghiên cứu khác nhau về tác động ô nhiễm không khí đối với sức khoẻ đã chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ chất gây ô nhiễm không khí và các tác động về sức khoẻ [23]. 1.1.14. Quan trắc xon khí bằng LIDAR Hiện nay, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển đã và đang được sử dụng thường xuyên, nổi bật với các mạng lưới trạm LIDAR mặt đất như MPLNET, EARLINET, AD-Net, NDACC LIDAR, GALION, hệ thống trạm LIDAR trong không gian như LITE, CALIPSO, ADM Aeolus, EarthCARE. Các mạng trạm được liên kết với nhau tạo thành hệ thống quan trắc trải rộng trên mặt đất cũng như không gian phục vụ cho các quan sát, thám sát, nghiên cứu về phân bố, sự dịch chuyển cũng như đặc tính của xon khí trong khí quyển. Các nghiên cứu tích hợp hệ thống LIDAR vào vệ tinh quan sát trái đất cũng được thực hiện với vệ tinh CALIPSO gắn cảm biến LIDAR CALIOP, chức năng chính là quan trắc xon khí và mây trong khí quyển, các số liệu thu thập được như độ cao, độ dày lớp mây, độ dày quang học, loại hạt mây, đặc tính xon khí như prolife, hệ số suy hao do xon khí, các sản phẩm này có độ phân giải cao phục vụ tốt cho các nghiên cứu về khí quyển trên quy mô toàn cầu. 17 18 CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Số liệu 2.1.1. LIDAR a. Thiết bị LIDAR IGP LIDAR IGP: Hệ thống LIDAR (Hình Error! No text of specified style in document..4, Bảng Error! No text of specified style in document..3) được nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện tại Viện Vật lý địa cầu với mục đích nghiên cứu môi trường khí quyển nói chung và xon khí nói riêng với cấu tạo phần phát là laser Nd-YaG (LOTIS - Belarus) phát ở các bước sóng cơ bản là 1064nm, 532mn, 355nm, 266nm với công suất tối đa tương ứng là 700mJ, 400mJ, 160mJ, 120mJ. [18]. 19 Hình Error! No text of specified style in document..4 Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu Bảng Error! No text of specified style in document..3 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu Kỹ thuật đo Tích cực từ xa Độ cao đạt được 30km Độ phân giải (có thể đạt được) 2m Bộ phận Laser Bước sóng (nm) 1064 (FF), 532(SH), 355(TH), 266( FH) Năng lượng xung (mJ): FF, SH, TH, FH 700, 400, 140, 100 Độ rộng xung (ns) 5-7 Tần số lặp (Hz) 1-10 Jitter (of Q-switch) (ns) ±1.5 20 Độ phân tán của tia (mrad) ≤1.0 Đường kính tia (mm) ≤ 8 Độ bất ổn định năng lượng ±3.0% Năng lượng bơm Ep (J) ≤ 64 Công suất nguồn (W) ≤ 750 Yêu cầu về nguồn điện (220V ± 20V) (50-60Hz) Bộ phận thu và hiện sóng Dải tần số đo 1GHz Số lượng kênh analog 4 Số lượng kênh tín hiệu số 16 Tốc độ lấy mẫu 5Gs/s trên tất cả các kênh Bộ nhớ 10Ms/ trên tất cả các kênh Tốc độ lấy mẫu sóng cao nhất 35000 mẫu/s Màn hình hiển thị XGA(1024x768), LCD 10.4‖ Giao diện chuẩn với chế độ đặt ngưỡng và khởi động đa dạng USB 2.0, 10/100T-LAN, IEEE488.2 GPIB, XGA video. Kết nối tự động với máy tính có Nguồn điện 100V-240V (± 10%) Bộ phận cảm biến Số lượng kênh thu 1 Loại cảm biến PTM Dải bước sóng làm việc 300nm đến 1100nm Độ khuếch đại 10^5 – 10^6 Thời gian phản ứng 0.78ns – 7ns Hệ kính dạng Schmidt-Cassegrain Dạng kính Dạng Schmidt-Cassegrain Đường kính của kính chính 279.4 mm Độ dài tiêu cự 2800 mm Tỉ số tiêu cự f/10 Ống quang học Nhôm Đường kính của thị kính 40 mm Lớp phủ quang học Sử dụng công nghệ chân không trong chế tạo gương (StarBright/XLT) Độ dài của kính 609.6 mm Phụ kiện là giá đỡ, tài liệu hướng dẫn. có Bộ giá đỡ và gá thiết bị Thiết kế chống rung có Quay theo phương thẳng đứng -90o đến 90o Quay theo phương ngang -180o đến 180o 21 Thu thập số liệu Hệ LIDAR IGP là hệ bán tự động, khi bắt đầu một kỳ quan trắc cần phải nhập các thông số thiết lập cho dao động ký bằng phần mềm trên máy tính (Hình Error! No text of specified style in document..5), bước tiếp theo là thiết lập các thông số cho laser, thiết lập thông số nguồn nuôi, khuyếch đại cho phận cảm biến, nhập các thông số bên ngoài vào phần mềm, kiểm tra hệ quang học thu và bắt đầu tiến hành quan trắc. Hình Error! No text of specified style in document..5 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP Hệ LIDAR IGP có các chế độ đo độ phân giải cao và chế độ đo trung bình tín hiệu với độ phân giải không gian của số liệu đạt tới 3m. Với chế độ đo độ phân giải cao, mỗi một xung tín hiệu thu được và ghi lại là tín hiệu của một xung riêng biệt. Chế độ đo trung bình tín hiệu , mỗi xung tín hiệu thu được và ghi lại là tín hiệu trung bình của nhiều xung tùy theo thiết lập hệ thống, chi tiết được liệt kê trong Bảng Error! No text of specified style in document..4 22 Bảng Error! No text of specified style in document..4 Thông số về các chế độ đo Chế độ đo Số xung tín hiệu Thời gian trung bình (s) Hi-res 1 0.1 Average 8 8 0.8 Average 16 16 1.6 Average 32 32 3.2 Average 64 64 6.4 Average 128 128 12.8 Average 256 256 25.6 Average 512 512 51.2 Để đảm bảo cho việc không bị mất số liệu và giảm nhiễu nên hiện tại các kỳ quan trắc bằng hệ LIDAR IGP đều sử dụng chế độ đo Average 512. Số liệu thu về được ghi trên máy tính với định dạng text và sau đó được xử lý và chuyển về định đạng NetCDF để thuận tiện cho việc lưu trữ cũng như sử dụng cho các nghiên cứu sau này. Bảng Error! No text of specified style in document..5 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn Ngày Giờ Điều kiện mây 25/12/2017 18:09 – 18:44 Có mấy Ci trên tầng cao 09/03/2018 18:15 – 18:28 Quang mây 21/03/2018 18:25 – 18:59 Có mây ở độ cao thấp 09/04/2018 18:34 – 18:55 Quang mây 15/05/2018 22:41 – 22:54 Quang mây Số liệu LIDAR IGP sử dụng trong luận văn được thu thập trong khoảng thời gian từ tháng 12 năm 2017 tới tháng 5 năm 2018, các kỳ quan trắc được thực hiện vào bưởi tối, tùy theo các trường hợp nghiên cứu cụ thể. Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn được liệt kê trong bảng Bảng Error! No text of specified style in document..5. b. Thiết bị LIDAR MPLNET Trạm LIDAR được cho mượn từ NASA lắp đặt đo đạc khí quyển tại Hà Nội trong năm 2011 và 2012. 23 Mạng lưới trạm MPLNET được NASA thành lập là một mạng lưới liên kết của các hệ thống Micro-Pulse Lidar (MPL) được thiết kế để đo lường cấu trúc thẳng đứng xon khí, mây và độ cao lớp biên. Các số liệu được thu thập liên tục trong khoảng thời gian dài từ các trạm được đặt trên toàn cầu. Hầu hết các trạm MPLNET được đặt kèm với các trạm trong hệ thống AERONET để có thể hiệu chỉnh số liệu cho nhau. MPLNET cũng là một mạng lưới đóng góp cho hệ thống quan sát khí quyển toàn cầu (GAW) của tổ chức khí tượng thế giới (WMO) và mạng lưới quan sát xon khí bằng LIDAR (GALION) [27]. Hình Error! No text of specified style in document..6 Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] Bảng Error! No text of specified style in document..6 Thông số Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] Bộ phận quang học phát:  Bước sóng Laser: 532 nm Nd:YVO4, OR 527 nm Nd:YLF  Tần số lặp xung: 2500 Hz 24  Năng lượng xung: 6-8 μJ  Kết nối máy tính/điều khiển: RS-232 Bộ phận quang học thu:  Dạng Telescope: Maksutov Cassegrain  Độ dài tiêu cự (Focal Length) 2400 mm  Đường kính (Diameter): 178 mm  Trường quan sát (Field of view): 100 μrad Bộ phận thu nhận  Phát hiện tín hiệu (Detector): Avalanche APD, đếm photon  Phân giải: 15 / 30 / 75 m (lập trình được)  Độ cao tối đa: 45 km  Hai kênh đếm, chuyển đổi tương tự/ số (A/D) cho đo nhiệt độ và năng lượng, kết nối máy tinh qua cổng USB. Thu thập số liệu số liệu LIDAR MPLNET Số liệu MPLNET sử dụng trong luận văn được thu thập trong khoảng thời gian từ tháng 11 năm 2011 tới tháng 11 năm 2012, số liệu thô đã được xử lý chuyển định dạng lưu trữ và hiệu chỉnh ở mức level_1. Số liệu cung cấp các thông tin về hệ đo, thời gian, tín hiệu, độ phân giải số liệu. 2.1.2. AERONET Chương trình AERONET (AErosol RObotic NETwork) là hệ thống mạng trạm đo aerosol mặt đất do NASA thiết kế. Chương trình nhằm mục đích tạo cơ sở dữ liệu lâu dài về tính chất quang, vật lý vi mô và bức xạ của aerosol phục vụ cho công việc nghiên cứu aerosol, kiểm định số liệu vệ tinh và phối hợp với các cơ sở dữ liệu khác. Việt Nam tham gia vào chương trình trên từ năm 2003 và có một số trạm được lắp đặt, vận hành thường xuyên [17]. Trong luận văn này số liệu AOD từ quang phổ kế được lắp đặt tại Viện Vật lý địa cầu sẽ được sử dụng để làm đầu vào cho việc tính toán hệ số suy hao và so sánh với kết quả tính toán độ dày quang học xon khí tính toán được 25 từ số liệu LIDAR. Số liệu AOD được lấy sao cho gần sát với thời gian quan trắc LIDAR để có thể so sánh khách quan giữa hai kết quả tính toán. Hình Error! No text of specified style in document..7 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28] Thiết bị quang phổ kế Thiết bị sử dụng là quang phổ kế CIMEL 318 đo hoàn toàn tự động. Thiết bị thực hiện hai phép đo cơ bản là trực xạ và tán xạ (direct sun and sky). Trực xạ đo ở tám dải phổ trong vòng 10 giây ở các dải phổ 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 và 1020 nm. Trong 30 giây thiết bị sẽ đo 3 lần (triplet) cho mỗi dải phổ. Trung bình cứ 15 phút thì thực hiện phép đo này 1 lần. Thiết bị đo tự động bắt đầu khi khối lượng quang học khí quyển (air mass) bằng 7 vào buổi sáng và kết thúc vào buổi chiều khi khối lượng quang học khí quyển bằng 7. Ngoài đo trực xạ, thiết bị còn đo tán xạ trong 4 dải phổ (440, 670, 870 và 1020 nm) với các góc tán xạ khác nhau [17]. 26 Hình Error! No text of specified style in document..8 Thiết bị quang phổ kế AERONET 2.1.3. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) Giới thiệu chung Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) là một mô hình khí quyển biểu diễn sự thay đổi về áp suất, nhiệt độ, mật độ và độ nhớt trên một phạm vi rộng hoặc cao độ của bầu khí quyển Trái Đất. Được thiết lập để cung cấp một tham chiếu chung cho nhiệt độ và áp suất và bao gồm các bảng giá trị ở các độ cao khác nhau, cộng với một số công thức mà theo đó các giá trị đó được bắt nguồn. Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) công bố ISA là tiêu chuẩn quốc tế. Số liệu ISA sử dụng trong luận văn được liệt kê trong Bảng Error! No text of specified style in document..7. 27 Bảng Error! No text of specified style in document..7 Số liệu khí quyển tính từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA Độ cao (m) Nhiệt độ (K) Khí áp (Pa) Mật độ (kg/m3) 0 288.2 101325.0 1.2250 1333 279.5 86299.7 1.0757 2667 270.8 73131.8 0.9407 4000 262.2 61640.2 0.8191 5333 253.5 51656.6 0.7099 6667 244.8 43024.7 0.6122 8000 236.2 35599.8 0.5252 9333 227.5 29248.3 0.4479 10667 218.8 23847.3 0.3797 12000 216.7 19330.4 0.3108 2.1.4. Số liệu bóng thám không Giới thiệu chung Thám không vô tuyến là phép đo phân bố theo chiều dọc các đặc tính vật lý của cột khí quyển như áp suất, nhiệt độ, tốc độ gió và hướng gió (do đó tạo ra gió cắt), hàm lượng nước lỏng, nồng độ ozone, ô nhiễm và các tính chất khác. Một thiết bị chạy bằng pin được mang vào bầu khí quyển bằng một quả bóng thời tiết và ghi lại các đặc tính vật lý của khí quyển. Mô tả số liệu Số liệu bóng thám không sử dụng trong luận văn được lấy tại trạm VVNB với tần suất thả bóng hai lần trong một ngày, vào các kỳ quan trắc 00h và 12h UTC. Số liệu được lưu dưới định dạng text, phục vụ cho việc tính toán các thông số khi quyển trong phương trình LIDAR. 28 Bảng Error! No text of specified style in document..8 Số liệu thám không trạm 48820 [29] Các phương pháp xác định các thông số khí quyển Như đã nêu trong phần cơ sở khoa học về LIDAR, phương trình LIDAR cần điễn giải để thu được các thông số khí quyển từ số liệu đo được, trong nghiên cứu này sẽ sử dụng các phương pháp liên quan tới các nguồn số liệu tham chiếu khác nhau để áp dụng vào giải phương trình LIDAR. 2.1.5. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc Phương pháp độ dốc (Slope Method): Phương pháp này được sử dụng trong điều kiện khí quyển đồng nhất, kết quả sẽ đưa ra một giá trị trung bình của hệ số suy hao trong khoảng quan trắc của LIDAR [30]. Error! No text of specified style in document.-7 Trong đó: 29 : hệ số suy hao tổng cộng : tín hiệu LIDAR đã hiệu chỉnh khoảng cách tại Z Phương pháp độ dốc có nhược điểm là chỉ cho giá trị suy hao trung bình tổng cộng trên khoảng quan trắc mà không cho biết sự phân bố trong không gian, trong luận văn này sẽ không tính toán hệ số suy hao bằng phương pháp này. 2.1.6. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm biên Phương pháp điểm biên (Klett - Fernald Method) được đưa ra bởi Klett năm 1981 [7] và Fernald năm 1972 [6] và được cải tiến vào năm 1984 [8]. Trong luận văn này số liệu LIDAR được xử lý dựa trên kết quả cải tiến của Fernald năm 1984, Phương pháp này yêu cầu phải biết trước giá trị hệ số suy hao tại một điểm bất kỳ trong khoảng quan trắc của LIDAR, từ đó sẽ tính toán được các giá trị còn lại cho các độ cao khác nhau. Một điểm quan trọng khác trong phương pháp điểm biên là tỉ số LIDAR sẽ được coi như là hằng số trong suốt khoảng quan trắc, ngoài ra một điểm tham chiếu mà tại đó coi như không có sự tồn tại của xon khí sẽ được chọn để tính toán. Từ phương trình LIDAR trong chương 1 cho hai thành phần tán xạ và suy hao có dạng như sau: Trong đó: : Tín hiệu thu được tại khoảng cách z : Năng lượng xung laser phát : Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển) 30 : Hệ số tán xạ ngược xon khí : Hệ số tán xạ ngược phân tử : Độ truyền qua bởi xon khí : Độ truyền qua bởi phân tử Trong phương trình LIDAR có các thành phần như E, C được xác định đo đạc và thực nghiệm khi xây dựng hệ thống LIDAR, trong nghiên cứu này sẽ tính toán với C = 0,3. các thành phần suy hao và tán xạ gây ra bởi phân tử khí có thể xác định từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn hoặc số liệu thám không khí quyển nếu có, do vậy chỉ còn hai thành phần tán xạ và suy hao gây ra bởi xon khí là cần được tính toán. Với mối liên hệ giữa và đã được nêu trong chương 1, tỉ số LIDAR được biểu diễn như sau: Error! No text of specified style in document.-8 tương tự ta có tỉ số LIDAR đối với phân tử khí: Error! No text of specified style in document.-9 Với các thông số trên, phương trình LIDAR với thành phần tán xạ ngược được giải như sau: Error! No text of specified style in document.- 10 31 Nếu có thông tin về các thông số khí quyển tại một độ cao tham chiếu nhất định thì phương trình 2-4 sẽ được biến đổi như sau: Error! No text of specified style in document.- 11 Với là tín hiệu LIDAR đã được hiệu chỉnh khoảng cách. Hệ số tán xạ ngược tổng cộng được biểu diễn là hàm của sự tán xạ tại độ cao tham chiếu. Thành phần hàm mũ trong phương trình 2-5 được đơn giản hóa để tiện cho quá trình tính toán với dạng: Error! No text of specified style in document.-12 Thay 2-6 và 2-5 ta có phương trình để tính toán hệ số tán xạ tại điểm liền kề có độ cao lớn hơn với độ cao tham chiếu với khoảng cách : Error! No text of specified style in document.- 13 Tương tự, nhưng với điểm có độ cao thấp hơn độ cao tham chiếu với khoảng cách : 32 Error! No text of specified style in document.- 14 Diễn giải dối với hệ số suy hao: Error! No text of specified style in document.- 15 Error! No text of specified style in document.- 16 Với trường hợp khí quyển có độ vẩn đục cao thì thành phần tán xạ ngược phân tử có thể bỏ qua, phương trình 2-8 và 2-10 trở về dạng phương pháp điểm biên xa cho 1 thành phần khí quyển của Klett có dạng: Error! No text of specified style in document.-17 Error! No text of specified style in document.-18 33 2.1.7. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển Xác định độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform) Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform) [9]. Biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform) được định nghĩa bởi Gamage và Hagelberg (1993) là một phương tiện để phát hiện các thay đổi bước trong tín hiệu [31]. Phương pháp này dựa trên hàm bước Haar h, được xác định như sau: Error! No text of specified style in document.-19 trong đó z là độ cao, b là vị trí mà tại đó hàm Haar ở chính giữa – sự chuyển đổi của hàm, và a là mức độ không gian, hoặc giãn nở của hàm. Từ đó biến đổi hiệp phương sai của hàm Haar được xác định như sau: Error! No text of specified style in document.-20 Với f(z) là tín hiệu LIDAR cần tính toán, zt và zb là độ biên trên và biên dưới của tín hiệu. Độ cao lớp biên được xác định là điểm có giá trị lớn nhất trên tín hiệu được áp dụng biến đổi WCT. Trong luận văn này tham số a được chọn với giá trị 60m. 34 Hình Error! No text of specified style in document..9 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT Xác định độ cao lớp biên từ số liệu thám không bằng phương pháp Heffter Phương pháp này được đưa ra bởi Heffter năm 1980, sử dụng nhiệt độ thế vị để xác định độ cao lớp biên như sau: Giai đoạn 1 – bước (1) Xác định lớp nghịch đảo có Gradient nhiệt độ thế vị tối thiểu là 0.005 K/m, bước (2) sau đó độ cao lớp biên sẽ được xác định bằng cách tìm điểm có nhiệt độ thế vị lớn hơn 2 K so với điểm nghịch đảo tìm được trong bước (1). Nếu hai bước trên không xác định được độ cao lớp biên thì tiếp tục thực hiện giai đoạn 2, độ cao lớp biên được xác định tại nơi có gradient nhiệt độ thế vị lớn nhất [32]. Error! No text of specified style in document.-21 Trong đó: : Nhiệt độ thế vị (K) 35 : Độ cao (m) 36 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR 3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán Hình Error! No text of specified style in document..10 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu Số liệu thô sau khi thu được là số liệu bao gồm cả nhiễu nền, nhiễu nền được hiểu là loại nhiễu gây ra bởi môi trường xung quanh như ánh sáng đô thị, ánh sáng từ mặt trời và loại nhiễu này cần được loại bỏ khi xử lý số liệu 37 LIDAR. Trên hình Hình Error! No text of specified style in document..11 là một tín hiệu trước và sau khi loại bỏ nhiễu nền. Bước 1: Chuyển đổi định dạng số liệu đo LIDAR từ text sang NetCDF. Bước 2: Chạy chương trình chính, trong chương trình này sẽ thực hiện các công việc cơ bản như sau: - Loại bỏ nhiễu nền: Trong thuật toán xử lý số liệu, phần nhiễu nền đa phần được lấy trung bình trong khoảng 1000 điểm số liệu thô cuối cùng của tín hiệu thu được, điều này đảm bảo sự dao động của nhiễu nền không làm ảnh hưởng tới kết quả xử lý số liệu, với một vài trường hợp đặc biệt thì nhiễu nền được lấy riêng biệt so với tín hiệu bằng cách thực hiện phép đo như bình thường và không phát laser vào khí quyển, nhiễu nền loại này được lấy trước, trong và sau khi kỳ quan trắc được thực hiện. Một ví dụ về loại bỏ nhiễu nền được minh họa trong Hình Error! No text of specified style in document..11. 38 Hình Error! No text of specified style in document..11 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi loại bỏ nhiễu nền (màu cam) - Tính hàm chồng chập: Hệ LIDAR IGP có cấu tạo hai trục cho Laser và hệ quang học thu, đo đó sẽ có một khoảng nhất định trước khi tia laser đi hoàn toàn vào vùng nhìn của kính viễn vọng, và vấn đề này được biểu diễn bằng hàm chồng chập, đối với hệ thống LIDAR IGP tia laser và vùng nhìn của kính viễn vọng sẽ chập hoàn toàn ở độ cao trên 55m. - Hiệu chỉnh khoảng cách Trong phương trình LIDAR được trình bày ở chương 1 có thành phần , thành phần này làm cho tín hiệu đo được giảm mạnh theo khoảng cách vì sự giảm của góc khối tính từ kính viễn vọng theo khoảng cách. Để loại bỏ sự ảnh hưởng này, tín hiệu LIDAR thường được biến đổi sang dạng hiệu chỉnh khoảng cách trước khi tính toán. Việc này được thực hiện bằng cách 39 nhân tín hiệu tại điểm với bình phương khoảng cách , thu được tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách [33]. Hình Error! No text of specified style in document..12 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng cách - Chọn tỉ số LIDAR Để đánh giá ảnh hưởng của việc chọn độ tỉ số LIDAR tới kết quả tính toán thì độ cao tham chiếu được cố định tại 5000m và tỉ số LIDAR được thay đổi, kết quả cho thấy với trường hợp ngày 9/3/2018 trên Hình Error! No text of specified style in document..13 thì thay đổi tỉ số LIDAR cũng làm cho kết quả thay đổi tuy nhiên không có quy luật nào thể hiện sự thay đổi này, việc chọn tỉ số LIDAR còn phụ thuộc nhiều vào khu vực nghiên cứu, khu vực đặt máy và thường được chọn từ các nghiên cứu thực nghiệm. 40 Theo Takamura và Sasano năm 1990, tỉ số LIDAR cho tầng đối lưu thấp nằm trong khoảng 30sr – 65sr [34]. Trong luận văn này, tỉ số LIDAR được chọn dựa trên nghiên cứu này và cố định tỉ số LIDAR với các trường hợp cụ thể là Lp = 40sr. Hình Error! No text of specified style in document..13 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các tỉ số LIDAR Lp khác nhau với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 - Chọn độ cao tham chiếu Việc lựa chọ độ cao tham chiếu là một bước quan trọng vì sự thay đổi độ cao tham chiếu có thể dẫn đến sự sai lệch trong kết quả tính toán. Như trên Hình Error! No text of specified style in document..14 độ cao tham chiếu được thay đổi từ 2000m tới 7000m với bước chạy 1000m, tỉ số LIDAR cố định là Lp = 40sr , kết quả cho thấy khi độ cao tham chiếu tang lên thì hệ số suy hao tính toán được có xu hướng giảm đi. Theo nghiên cứu của Mattis thì độ cao tham chiếu nên chọn trong khoảng 5000-7000m, là khu vực hầu như không có sự hoạt động của xon khí [35]. Do đó trong luận văn này các trường hợp nghiên cứu sẽ lấy độ cao 5000m làm độ cao tham chiếu. 41 Hình Error! No text of specified style in document..14 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các độ cao tham chiếu khác nhau với Lp = 40sr, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 - Tính toán các thông số khí quyển theo phương pháp đã trình bày trong chương 2. 3.1.2. Chương trình tính Dựa trên cơ sở phương pháp điểm biên, phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển và các số liệu đầu vào, chương trình tính toán được xây dựng theo sơ đồ thuật toán nêu trong đầu chương 3 phục vụ cho việc xử lý và lưu trữ số liệu, chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, số liệu và kết quả tính toán được lưu trữ dưới định dạng NerCDF. Các phần trong chương trình tính được viết dưới dạng các function hay các hàm tính toán. Toàn bộ mã nguồn của chương trình tính được nêu trong phần phụ lục II. Các hàm tính được diễn giải như sau: txt2nc: hàm này có nhiệm vụ chuyển đổi số liệu do LIDAR thô sau khi quan trắc từ định dạng text sang NetCDF, ngoài ra toàn bộ các thông số trong kỳ quan trắc cũng được ghi vào file, phục vụ lưu trữ và tính toán sau này. 42 Yêu cầu đầu vào: - RAW_PATH: đường dẫn thư mục chứa số liệu đo LIDAR - LIDAR_CONFIG_PATH: file chứa thông số kỳ quan trắc - result_path: đường dẫn cho file NetCDF run_main: Chương trình chính đảm nhiệm việc gọi các hàm tính toán và trả về kết quả tính toán, ghi lại kết quả vào file NetCDF. Yêu cầu đầu vào: - Đường dẫn tới thư mục số liệu - Thông tin về thời gian quan trắc - Tỉ số LIDAR - Độ cao tham chiếu - Hệ số a trong phương pháp WCT run_fernald84: Hàm tính toán các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR Yêu cầu đầu vào: - Đường dẫn tới thư mục số liệu LIDAR - Đường dẫn tới thư mục số liệu bóng thám không, nếu không có chương trình tự động chuyển sang sử dụng số liệu mô hình khí quyển ISA. - Tỉ số LIDAR - Độ cao tham chiếu - Hệ số a trong phương pháp WCT Đầu ra: - Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách - Độ cao lớp biên - Hệ số suy hao xon khí - Hệ số tán xạ ngược xon khí 43 cal_alpha_beta: Hàm tính toán hệ số suy hao xon khí và hệ số thán xạ ngược xon khí wct: Hàm tính độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR cal_sounding: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược phân tử từ số liệu bóng thám không. cal_std_atm: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược phân tử từ số liệu mô hình khí quyển ISA. overlap_func: Hàm tính hàm chồng chập của hệ thống LIDAR. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể 3.1.3. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết bị LIDAR IGP Kỳ quan trắc ngày 09/03/2018: được thực hiện trong khoảng 13 phút, tổng số xung Laser được phát đi và thu về tại cảm biến là khoảng 7800 xung, số xung tín hiệu ghi được về máy tính là 2001 xung với mỗi xung chứa thông tin của 512 xung tín hiệu thực tế được trung bình. Tại thời điểm quan trắc, trong tầm nhìn của hệ LIDAR hầu như không tồn tại mây. Hệ thống LIDAR được thiết lập quan trắc với góc ngẩng 25o, hướng chiếu về phía Đông, độ phân giải theo phương truyền của LIDAR đạt 3m và độ phân giải thẳng đứng đạt 1,267m. Tín hiệu được xử lý thô theo sơ đồ thuật toán, loại bỏ nhiễu nền và thực hiện hiệu chỉnh khoảng cách, sau đó thông số đầu tiên được chiết suất là độ cao lớp biên khí quyển bằng phương pháp WCT, kết quả cho thấy trong kỳ quan trắc này, độ cao lớp biên trung bình là 742.3 m, thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in document..15. 44 Hình Error! No text of specified style in document..15 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/03/2018 (Giờ UTC) Hệ số suy hao được tính toán bằng phương trình 2-10 với tiến trình tích phân ngược từ điểm tham chiếu về mực thấp hơn, độ cao tham chiếu là 5000m, tỉ số LIDAR Lp = 40 sr. Qua kết quả tính toán, kỳ quan trắc này cho thấy có 3 lớp xon khí tồn tại trong tầng đối lưu, lớp dưới cùng được giới hạn bởi lớp biên khí quyển, lớp ở giữa cho thấy sự suy giảm ở hệ số suy hao có độ cao từ 750m cho tới khoảng 2200m, lớp trên cùng từ 2200m trở lên tới 3500m, kết quả tính toán cho một xung đơn được thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in document..16, mô tả kết quả tính toán theo thời gian được thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in document..17. Từ kết quả tính toán hệ số suy hao, độ dày quang học xon khí được tính toán cho thấy với xung đơn trên hình Hình Error! No text of specified style in document..16 độ dày quang học xon khí tăng từ dưới lên trên và hầu như không đổi sau khi đạt độ cao trên 3500m, tổng AOD cho toàn khoảng tính 45 toán đạt 0,76, số liệu AOD ngày từ AERONET là 0,55 tại bước sóng 500nm (Hình Error! No text of specified style in document..18). Hình Error! No text of specified style in document..16 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:21 ngày 09/03/2018. Hình Error! No text of specified style in document..17 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018. 46 Hình Error! No text of specified style in document..18 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018 Kỳ quan trắc ngày 09/04/2018: Tiến trình xử lý tương tự kỳ quan trắc ngày 09/03/2018. Kết quả tính toán độ cao lớp biên trung bình trong cả kỳ quan trắc bằng phương pháp WCT đối với số liệu LIDAR là 994,4956m và từ bóng thám không là 789,2919m (Hình Error! No text of specified style in document..19 Hình Error! No text of specified style in document..20). 47 Hình Error! No text of specified style in document..19 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) Kết quả tính toán hệ số suy hao cũng cho thấy có 3 lớp xon khí tồn tại trong khí quyển, tương tự với kỳ quan trắc ngày 09/03/2018 tuy nhiên có sự khác biệt về độ cao của các lớp này. Lớp thứ nhất ở phía dưới độ cao lớp biên khí quyển, lớp tiếp theo từ độ cao lớp biên cho tới khoảng 1,5km, lớp trên từ khoảng 1,5km cho tới khoảng 3km (Hình Error! No text of specified style in document..22). Độ dày quang học xon khí cũng được tính toán, với xung đơn trên Hình Error! No text of specified style in document..21 cho thấy AOD tăng liên tục cho tới độ cao 3500m thì bắt đầu giữ mức ổn định, tổng AOD cho xung đơn là 0.87, trung bình tổng AOD cho cả kỳ quan trắc đạt 0,77, số liệu AOD ngày từ AERONET là 0,717 tại bước sóng 500nm (Hình Error! No text of specified style in document..23). 48 Hình Error! No text of specified style in document..20 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 Hình Error! No text of specified style in document..21 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày 09/04/2018. 49 Hình Error! No text of specified style in document..22 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 50 Hình Error! No text of specified style in document..23 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018 3.1.4. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017 Kỳ quan trắc được thực hiện trong khoảng 35 phút, chế độ đo trung bình 512 xung tương đương một xung ghi lại là số liệu trung bình trong 51,2 giây. Do đặc tính số liệu tại đô cao càng lớn thì tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu cao nên trong lỳ quan trắc mây Ci này một bộ khuyếch đại được sử dụng để khuếch đại tín hiệu, việc này đồng nghĩa với tín hiệu tại mực thấp hơn 1,5km sẽ không có ý nghĩa (Hình Error! No text of specified style in document..26a). Tuy nhiên nhờ việc sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu nên lớp mây Ci trên cao đã hiện rõ hơn và dễ nhận biết hơn (Hình Error! No text of specified style in document..24). 51 Hình Error! No text of specified style in document..24 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 Theo biểu đồ lát cát theo thời gian tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách cho kỳ quan trắc này, có thể nhận thấy một lớp mây Ci độ dày khoảng 700 m tồn tại từ khoảng 9 km tới 9,7 km (Hình Error! No text of specified style in document..24). Theo kết quả tính toán, hệ số suy hao của lớp mây Ci này đạt giá trị lớn nhất khoảng 1x10-4/m tại độ cao khoảng 9400m (Hình Error! No text of specified style in document..25, Hình Error! No text of specified style in document..26). 52 Hình Error! No text of specified style in document..25 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 Hình Error! No text of specified style in document..26 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày 25/12/2018. 53 3.1.5. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám không Trên Hình Error! No text of specified style in document..27 và Hình Error! No text of specified style in document..28 là hai trường hợp cụ thể về độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET. Kết quả cho thấy độ cao lớp biên tính toán được từ hai bộ số liệu này cho kết quả sai khác với nhau không nhiều, có trường hợp cho sai khác rất nhỏ (00h00 UTC ngày 29/09/2012). Trong trường hợp ngày 01/06/2012, độ cao lớp biên lúc 00h UTC cho thấy giá trị cao hơn với số liệu bóng thám không và lúc 12h UTC thì cao hơn với số liệu LIDAR MPLNET. Với trường hợp ngày 29/09/2012 thì tại lúc 00h UTC thì độ cao lớp biên tính từ hai nguồn số liệu trên có độ sai khác không nhiều, khoảng 30 m, số liệu LIDAR cho độ cao lớn hơn. Tại 12h UTC cho thấy có sự sai lệch khá lớn (khoảng 400m) giữa hai nguồn số liệu này. 54 Hình Error! No text of specified style in document..27 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC. Hình Error! No text of specified style in document..28 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn này đã thực hiện được các công việc xử lý tính toán, phân thích và đánh giá các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR cho một số trường hợp cụ thể bằng hai bộ số liệu LIDAR MPLNET và LIDAR IGP, các kết quả thu được được đã được so sánh đánh giá với các nguồn số liệu tham chiếu là số liệu bóng thám không cho việc tính hệ số suy hao gây ra bởi xon khí bằng phương pháp điểm biên, tính độ cao lớp biên bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai, số liệu AOD từ AERONET cho việc tính toán AOD từ số liệu LIDAR IGP . Các kết quả thu được cụ thể như sau: - Xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý số liệu cho hệ thống LIDAR IGP. - Tính toán và phân tích được các thông số khí quyển cho một số trường hợp nghiên cứu, cụ thể là các kỳ quan trắc xon khí ngày 09/03/2018 và 09/04/2018 bằng thiết bị LIDAR IGP, độ dày quang học xon khí được so sánh với số liệu từ máy đo quang phổ kế AERONET và cho kết quả tốt vào kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 (LIDAR: 0.77 và AERONET: 0.717), kỳ quan trắc còn lại cho kết quả có sự sau khác (LIDAR: 0.76 và AERONET: 0.55). - Tính toán và phân tích được một trường hợp quan trắc mây Ci trên cao tại khu vực Hà Nội ngày 25/12/2017, lớp mây Ci quan trắc được có độ dày khoảng 700m và nằm ở độ cao từ 9 km tói 9,7 km, phù hợp với các đặc điểm khí hậu tại Việt Nam. - Tính toán được độ cao lớp biên từ hai nguồn số liệu LIDAR và bóng thám không, kết quả cho thấy có sự sai khác không nhiều giữa hai bộ số liệu này. 56 - Một bộ số liệu LIDAR được thành lập lưu trữ với định dạng NetCDF để phục vụ cho lưu trữ và các nghiên cứu sau này. Số lượng các trường hợp cụ thể được sử dụng trong luận văn tuy chưa nhiều nhưng đa phần cho kết quả khả quan, cho thấy được sự tin cậy của các bộ số liệu và thiết bị LIDAR quan trắc khí quyển. Với các kết quả đạt được trong luận văn và hiện trạng về nghiên cứu ứng dụng LIDAR trong quan trắc khí quyển ở trong và ngoài nước cho thấy sự hạn chế về thiết bị dẫn tới nhiều mảng quan trắc có thể sử dụng LIDAR vẫn còn bỏ ngỏ, trong các nghiên cứu tiếp theo cần có sự nâng cấp về thiết bị và tăng cường nghiên cứu chuyên sâu về các quá trình vi vật lý của các đối tượng trong khí quyển có thể quan trắc bằng LIDAR để áp dụng công nghệ này rộng rãi hơn. 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Elsevier, Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, in Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, G.R. North, J. Pyle, and F. Zhang, Editors. 2015, Elsevier. 2. Hulbert, E.O., Observations of a Searchlight Beam to an Altitude of 28 Kilometers. J. Optical Soc. Amer, 1937. 27. 3. Fiocco, G. and Smullin, L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60–140 km) by Optical Radar. Nature, 1963. 199: p. 1275–1276. 4. Ligda, M.G.H. Meteorological observations with pulsed laser radar. in The 1st Conferenceon Laser Technology. 1963. San Diego, CA, U.S. Navy ONR. 5. Fujii, T. and Fukuchi, T., eds. Laser Remote Sensing. 2005, CRC Press. 6. Fernald, F.G., Herman, B.M., and Reagan, J.A., Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar. J. Appl. Meteorol, 1972. 11: p. 482-489. 7. Klett, J.D., Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. Appl Opt, 1981. 20(2): p. 211-220. 8. Fernald, F.G., Analysis of atmospheric lidar observations: some comments. Appl Opt, 1984. 23(5): p. 652. 9. Brooks, I.M., Finding Boundary Layer Top: Application of a Wavelet Covariance Transform to Lidar Backscatter Profiles. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003. 20(8): p. 1092-1105. 10. Chan, P.W., Determination of Backscatter-Extinction Coefficient Ratio for LIDAR-Retrieved Aerosol Optical Depth Based on Sunphotometer Data. Remote Sensing, 2010. 2(9): p. 2127-2135. 11. Porter, J.N., Lienert, B.R., Sharma, S.K., et al., A Small Portable Mie – Rayleigh Lidar System to Measure Aerosol Optical and Spatial Properties. American Meteorological Society, 2002: p. 1873-1877. 12. Ware, J., Kort, E.A., DeCola, P., et al., Aerosol lidar observations of atmospheric mixing in Los Angeles: Climatology and implications for greenhouse gas observations. J Geophys Res Atmos, 2016. 121(16): p. 9862-9878. 58 13. Mei, L., Guan, P., Yang, Y., et al., Atmospheric extinction coefficient retrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidar technique. Opt Express, 2017. 25(16): p. A628-A638. 14. Liu, Q., He, Q., Fang, S., et al., Vertical distribution of ambient aerosol extinctive properties during haze and haze-free periods based on the Micro-Pulse Lidar observation in Shanghai. Sci Total Environ, 2017. 574: p. 1502-1511. 15. Anh, N.X. and Quan, L.N., Nghiên cứu ứng dụng LIDAR trong nghiên cứu mây Ci. Tuyển tập các công trình nghiên cứu Viện Vật lý địa cầu. 2008. 16. Anh, N.X., Nghiên cứu đánh giá thông lượng và các đặc trưng cơ bản của sol khí (aerosol) và đề xuất các giải pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng công tác dự báo thời tiết, ứng phó biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường. 2014. 17. Thành, P.X., Anh, N.X., Trung, Đ.V., et al., Nghiên cứu thông số khí quyển sử dụng quan trắc vệ tinh và đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng của khí quyển lên chất lượng ảnh vệ tinh”, Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước về công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012 – 2015. 2016. 18. Tuan, A.D., Anh, N.X., and Hung, T.P., The Simulation of aerosol lidar developed at the Institute of Geophysics, in The International Conference on Research Development and Cooperation in Geophysics. 2017, Publishing House For Science and Technology: Hanoi. 19. Tuan, N.X., Trung, D.V., Binh, N.T., et al., Measurement of the Upper Tropospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi Using a Raman Lidar. Communications in Physics, 2016. 24(3S2). 20. Tuan, N.X., Trung, D.V., and Binh, N.T., Measurements of the Stratospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi by a Rayleigh Lidar.pdf. Communications in Physics, 2014. 24(3): p. 247-256. 21. Hai, B.V., Tuan, N.X., Hoang, N.D., et al., Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact lidar system with a high power diode laser at 905 nm, in The Third National Conference on Technical and Applied Physics. 2013: Hue. 22. Hai, B.V., Trung, D.V., Tuan, N.X., et al., Determination of atmospheric aerosol extinction profiles with a raman lidar system over Hanoi. Advances in Optics, Spectroscopy and Applications VII. 2012. 59 23. Boubel, R.W., Fox, D.L., Turner, D.B., et al., Fundamentals of Air Pollution. 3rd ed. 1994: Academic Press. 24. Ahrens, C.D., Essentials of Meteorology: An Invitation to the Atmosphere. 6th ed. 2010: Cengage Learning. 25. Springer, Lidar Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer Series in Optical Sciences, ed. W.T. Rhodes. 2005: Springer. 26. IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, T.F. Stocker, D. Qin, G.- K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley, Editor. 2013: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 27. https://mplnet.gsfc.nasa.gov/. 28. https://aeronet.gsfc.nasa.gov/ 29. 30. Kunz, G.J. and de Leeuw, G., Inversion of lidar signals with the slope method. Appl Opt, 1993. 32(18): p. 3249-56. 31. Gamage, N. and Hagelberg, C., Detection and Analysis of Microfronts and Associated Coherent Events Using Localized Transforms. Journal of the Atmospheric Sciences, 1993. 50(5): p. 750-756. 32. Heffter, J.L. Transport layer depth calculations. in The 2nd Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology. 1980. New Orleans, La, USA. 33. Kovalev, V.A. and Eichinger, W.E., Elastic Lidar Theory, Practice, and Analysis Methods. 2004: Wiley. 34. Takamura, T. and Sasano, Y., Aerosol optical properties inferred from simultaneous lidar, aerosol-counter, and sunphotometer measurements. Meteorological Society of Japan Journal, 1990. 68(Dec. 1990): p. 729- 739. 35. Mattis, I., Müller, D., Ansmann, A., et al., Ten years of multiwavelength Raman lidar observations of free-tropospheric aerosol layers over central Europe: Geometrical properties and annual cycle. Journal of Geophysical Research, 2008. 113(D20).