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

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC TRẦN PHÚC HƯNG HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ TRẦN PHÚC HƯNG CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC MÃ SỐ: 60440222 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN ANH HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Xuân Anh Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Thanh Ngà Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Thái Thị Thanh Minh Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 22 tháng 9 năm 2018 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí” được hoàn thành tháng 8 năm 2018 tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và Viện Vật lý Địa cầu, để hoàn thành nghiên cứu này tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ phía cơ quan, nhà trường, gia đình và bạn bè. Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn sát cánh và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và làm luận văn. Xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Anh đã truyền đạt những ý tưởng khoa học, trực tiếp hướng dẫn để tác giả thực hiện và hoàn thiện luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, truyền đạt kiến thức cần thiết trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn tới Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam đã tạo điều kiện về thời gian công tác, học hành, cung cấp thiết bị LIDAR IGP để tác giả thực hiện các nghiên cứu trong luận văn. Xin gửi lời cảm ơn tới chương trình AERONET và dự án MPLNET của cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã cũng cấp các nguồn số liệu cho luận văn này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã luôn sát cánh và giúp đỡ trong quá trình học tập, hoàn thiện luận văn này. Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, vì vậy những ý kiến đóng góp đều rất quý báu, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp đó để có thể hoàn thiện luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Phúc Hưng MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... i TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU......................................................................... v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC................................................................ 3 1.1. LIDAR ........................................................................................................ 3 1.1.1. Kỹ thuật LIDAR ................................................................................... 3 1.1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR ............................................................. 3 1.1.3. Hệ thống LIDAR .................................................................................. 4 1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR ...................................................... 4 1.1.5. Phương trình LIDAR ............................................................................ 5 1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR . 6 1.2. Khí quyển và các thông số khí quyển ........................................................ 8 1.2.1. Cấu trúc của khí quyển ......................................................................... 8 1.2.2. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển .................................... 9 1.2.3. Các thông số khí quyển đo đạc bởi LIDAR ....................................... 10 i 1.2.4. Lớp biên hành tinh .............................................................................. 12 1.3. Xon khí ..................................................................................................... 13 1.3.1. Định nghĩa .......................................................................................... 13 1.3.2. Độ dày quang học xon khí .................................................................. 14 1.3.3. Các tác động của xon khí.................................................................... 15 1.3.4. Quan trắc xon khí bằng LIDAR ......................................................... 15 CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 17 2.1. Số liệu ....................................................................................................... 17 2.1.1. LIDAR ................................................................................................ 17 2.1.2. AERONET.......................................................................................... 23 2.1.3. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) ..................................... 25 2.1.4. Số liệu bóng thám không .................................................................... 26 2.2. Các phương pháp xác định các thông số khí quyển ................................. 27 2.2.1. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc ............................ 27 2.2.2. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm biên ............................................................................................................ 28 2.2.3. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển ............................. 31 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 34 3.1. Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR ............... 34 3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán .............................................. 34 3.1.2. Chương trình tính ............................................................................... 39 3.2. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể ................ 41 ii 3.2.1. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết bị LIDAR IGP ................................................................................................. 41 3.2.2. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017 ...................... 48 3.2.3. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám không ............................................................................................................ 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 54 PHỤ LỤC I ........................................................ Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC II ....................................................... Error! Bookmark not defined. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Trần Phúc Hưng Lớp: CH2B.K Khoá: II Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Anh Tên đề tài: Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí. Tóm tắt: Luận văn này trình bày các bước xử lý số liệu LIDAR theo phương pháp điểm biên (phương pháp Klett – Fernald) để tính toán các thông số khí quyển như hệ số suy hao gây ra bởi xon khí hệ số tán xạ ngược xon khí. Các đối tượng khác trong khí quyển như độ cao lớp biên, độ cao lớp xon khí, sự phân bố của xon khí trong khí quyển sẽ được xác định và đánh giá dựa trên các tín hiệu LIDAR được xử lý và các thông số khí quyển được tính toán. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Hệ số suy hao tổng cộng Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử Hệ số tán xạ ngược tổng cộng Hệ số tán xạ ngược xon khí Hệ số tán xạ ngược phân tử Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z X(Z) Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách tại khoảng cách Z Năng lượng xung laser phát đi Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị) Tốc độ ánh sáng Khoảng cách từ LIDAR tới mục tiêu Độ truyền qua của khí quyển gây ra bởi xon khí Độ truyền qua bởi khí quyển gây ra bởi phân tử Độ dày quang học tại một bước sóng bất kỳ Bước sóng Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách Tỉ số LIDAR đối với xon khí TỈ số giữa suy hao và tán xạ phân tử Mật độ Bán kính hiệu quả Albedo tán xạ đơn thông số bất đối xứng v Hệ số Ångström Nhiệt độ thế vị vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LIDAR Light detection and aanging RADAR Radio Detection And Ranging IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MPLNET The NASA Micro-Pulse Lidar Network EARLINET The European Aerosol Research Lidar Network AD-Net the Asian dust and aerosol lidar observation network NDACC LIDAR The international Network for the Detection of Atmospheric Composition Change GALION GAW Aerosol Lidar Observation Network LITE Lidar In-space Technology Experiment CALIPSO Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation ADM Aeolus Atmospheric Dynamics Mission Aeolus CALIOP Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization AERONET AErosol RObotic NETwork ISA International Standard Atmosphere ISO International Organization for Standardization WCT Wavelet Covariance Transform PM10 Particulate matter 10 µm PM2.5 Particulate matter 2.5 µm AOD Aerosol optical depth vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần của khí quyển không bị ô nhiễm [23] ............................ 8 Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại xon khí [25] ............................................. 13 Bảng 2.1 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............ 18 Bảng 2.2 Thông số về các chế độ đo............................................................... 20 Bảng 2.3 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn ....................... 21 Bảng 2.4 Thông số Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............... 22 Bảng 2.5 Số liệu khí quyển tính từ mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA ......................................................................................................................... 26 Bảng 2.6 Số liệu thám không trạm 48820 [29] ............................................... 27 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5] ........................................................ 4 Hình 1.2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan trắc được [5] ...................................................................................................... 5 Hình 1.3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24] .................................................................................. 9 Hình 2.1 Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............................ 18 Hình 2.2 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP ............................................. 20 Hình 2.3 Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............................... 22 Hình 2.4 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28]................................... 24 Hình 2.5 Thiết bị quang phổ kế AERONET ................................................... 25 Hình 2.6 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT ..................... 32 Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu........................................................... 34 Hình 3.2 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi loại bỏ nhiễu nền (màu cam) ........................................................................... 35 Hình 3.3 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng cách.................................................................................................................. 37 Hình 3.4 Hệ số suy hao xon khí tính toán với các tỉ số LIDAR L p khác nhau với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 ....................................................................................................... 38 ix Hình 3.5 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 ............... 39 Hình 3.6 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) .......................... 42 Hình 3.7 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....................................................................................................... 43 Hình 3.8 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018. ........ 43 Hình 3.9 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018 ....................................................................................................... 44 Hình 3.10 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) .......................... 45 Hình 3.11 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 .................................................... 46 Hình 3.12 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày 09/04/2018....................................................................................................... 46 Hình 3.13 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 ....... 47 Hình 3.14 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018 ....................................................................................................... 47 Hình 3.15 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 ....................................................................................................... 48 Hình 3.16 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 ......................................................................................................................... 49 x Hình 3.17 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày 25/12/2018....................................................................................................... 49 Hình 3.18 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC. ..................................................................................................... 50 Hình 3.19 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC ...................................................................................................... 51 Hình 1 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong kỳ quan trắc ngày 21/03/2018 ......................... Error! Bookmark not defined. Hình 2 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 21/03/2018........ Error! Bookmark not defined. Hình 3 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong kỳ quan trắc ngày 15/05/2018 ......................... Error! Bookmark not defined. Hình 4 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 15/05/2018........ Error! Bookmark not defined. xi xii MỞ ĐẦU Quan trắc các đối tượng như xon khí, bụi, phân bố của chúng trong khí quyển là một vấn đề cấp thiết bởi sự liên quan tới các quá trình vật lý và vi vật lý trong khí quyển, các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp tới các quá trình thời tiết, khí hậu, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Trong vài thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì nhiều hệ thống LIDAR đã được các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới nghiên cứu chế tạo, phát triển phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển đa dạng cùng với các phương thức và đối tượng nghiên cứu khác nhau. Các thông số có thể tính toán được từ số liệu LIDAR có thể kể đến như hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao xon khí, độ dày quang học khí quyển, tỉ số phân cực, hệ số hấp thụ đối với các loại hạt bụi và khí. Các thông số này có thể được sử dụng cho các nghiên cứu về môi trường, ô nhiễm không khí, nghiên cứu độ cao lớp biên, các lớp khí quyển trên cao, phân bố xon khí trong khí quyển, ứng dụng hiệu chỉnh khí quyển cho các sản phẩm viễn thám. Ngoài ra LIDAR còn được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về vận chuyển lan truyền bụi, khí thải trên quy mô vừa, quy mô lớn. Hệ thống này cũng được gắn trên máy bay, vệ tinh phục vụ quan trắc từ xa, xác định độ cao địa hình. Với thực trạng nghiên cứu hiện tại ở Việt Nam về sử dụng công nghệ LIDAR trong quan trắc khí quyển còn chưa có nhiều và còn nhiều vấn đề cần giải quyết nên luận văn sẽ tập trung giải quyết các vấn đề liên quan tới xử lý số liệu LIDAR quan trắc xon khí và phân tích một số trường hợp điển hình, số liệu được tính toán kết hợp với các nguồn số liệu quan trắc khác để nâng cao tính chính xác. 1 Luận văn đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu chính: - Tính toán được các thông số khí quyển gồm: hệ số suy hao xon khí, hệ số tán xạ ngược xon khí, độ dày quang học khí quyển từ số liệu LIDAR. - Phân tích đánh giá được một số trường hợp điển hình. Các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Thu thập, thống kê số liệu phục vụ cho luận văn. - Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR. - Xây dựng thuật toán xử lý số liệu - Phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình. Dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu, luận văn sẽ được bố cục thành các phần như sau: Mở đầu Chương 1. Cơ sở khoa học Tập trung nghiên cứu tổng quan về hệ thồng lidar, khí quyển và các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ lidar ở trong và ngoài nước. Chương 2. Số liệu và phương pháp nghiên cứu Đưa ra các nguồn số liệu sử dụng trong luận văn, diễn giải phương pháp nghiên cứu và giải thích lý do tại sao chọn phương pháp này. Chương 3. Kết quả và thảo luận Tập trung phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình sau khi đã sử lý số liệu và đưa vào chương trình tính toán. Kết luận và kiến nghị 2