(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc thoát hơi nước của lớp phủ khu vực tây bắc việt nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

Người hướng dẫn khoa học:

HÀ NỘI, 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Quá trình nghiêncứu được thực hiện nghiêm túc, khoa học Số liệu và kết quả trình bày trong luận án làchính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Lê Hùng Chiến

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 4

4 Phạm vi nghiên cứu 4

5 Nội dung nghiên cứu của luận án 4

6 Phương pháp nghiên cứu 5

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6

8 Luận điểm bảo vệ 7

9 Những điểm mới của luận án 7

10 Cấu trúc của luận án 8

11 Lời cảm ơn 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1 Các khái niệm bốc thoát hơi nước 9

1.1.1 Bốc hơi nước (E) 9

1.1.2 Thoát hơi nước (T) 10

1.1.3 Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) 11

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước 11

1.1.5 Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) 13

1.1.6 Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc) 14

1.1.7 Thoát hơi nước trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj) 14

1.1.8 Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation) 15

1.1.9 Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước 15

1.2 Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng 15

1.2.1 Các phương pháp đo trực tiếp 15

1.2.2 Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models) 18

1.2.3 Các mô hình kết hợp (combined models) 20

1.3 Các mô hình xác ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh 22

1.3.1 Mô hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance

Algorithms for Land) 23

1.3.2 Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index) 251.3.3 Mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy BalanceSystem) 27

1.3.4 Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI(Simplified Surface Energy Balance Index) 28

1.3.5 Mô hình về bản đồ bốc thoát hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bêntrong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) 30

1.4 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài 33

1.5 Các kết quả nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của đề tài 36

1.6 Đánh giá chung về các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơinước từ bề mặt lớp phủ 39

1.7 Một số vấn đề thảo luận phát triển trong luận án 42

Tiểu kết chương 1 44

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ 462.1 Khái quát về viễn thám 46

2.1.1 Nguyên lý viễn thám 46

2.1.2 Đặc tính phản xạ của thực vật 49

2.1.3 Đặc tính phản xạ phổ của nước 50

2.1.4 Đặc tính phản xạ của các đối tượng trong đô thị 51

2.2 Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8 51

2.3 Vai trò của dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc chiết xuất, tính toán các thamsố phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước 53

2.4 Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốcthoát hơi nước bề mặt lớp phủ 55

2.4.1 Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat8 56

2.4.2 Xác định giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước λ từ dữ liệu ảnh vệtinh Landsat 8 58

2.4.3 Xác định hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và môhình số độ cao DEM 58

2.4.4 Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 xác định giá trị độ dốc của đường cong áp suất

hơi bão hòa (Δ)) 59

2.5 Tính giá trị của các tham số từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao phục vụước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ 59

2.5.1 Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo mô hìnhSEBAL 59

2.5.2 Tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinhLandsat 8 66

2.5.3 Tính bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp tại cáctrạm quan trắc theo mô hình FAO 56 – Penman - Monteith 67

2.5.4 Tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) từ dữ liệu ảnh vệ tinhLandsat 8 68

2.5.5 Tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thôngtin độ cao từ DEM 69

2.5.6 Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ)) từ dữ liệu ảnh vệtinh Landsat 8 69

2.6 Xác định hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình khí hậukhu vực Tây Bắc Việt Nam 70

2.7 Đề xuất mô hình, quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụngkết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley -Taylor 71

2.7.1 Đề xuất mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủkhu vực Tây Bắc Việt Nam 71

2.7.2 Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hìnhSEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor 72

2.8 Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kếthợp mô hình SEBAL và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine 75

2.8.1 Khái quát về Google Earth Engine 75

2.8.2 Những lợi ích của Google Earth Engine trong việc xây dựng chương trình ướctính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước 75

Tiểu kết chương 2 77

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 78

3.1 Điều kiện tự nhiên của tỉnh Hòa Bình 78

3.1.1 Vị trí địa lý 78

3.1.2 Địa hình, địa mạo 79

3.1.3 Điều kiện khí hậu 79

3.1.4 Thủy văn 82

3.1.5 Thực trạng về cơ cấu tài nguyên đất tỉnh Hòa Bình 83

3.1.6 Tài nguyên nước 84

3.1.7 Tài nguyên rừng 84

3.2 Dữ liệu phục vụ nghiên cứu 85

3.2.1 Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM (SRTM) 85

3.2.2 Dữ liệu khí tượng 87

3.3 Thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiệnđịa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng, thủy văntại tỉnh Hòa Bình 90

3.3.1 Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rnd từ dữ liệu khí tượng, thủy vănđo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56 91

3.3.2 Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric(γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ)) từ dữ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếptại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56 93

3.3.3 Kết quả tính hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình,khí hậu tỉnh Hòa Bình, Sơn La thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắckhí tượng thủy văn 95

3.4 Thực nghiệm tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tại tỉnhHòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệuảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định bằng thựcnghiệm 97

3.4.1 Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnhvệ tinh Landsat 8 (Rnd _VT) 97

3.4.2 So sánh kết quả tính giá trị năng bức xạ ròng trung bình ngày theo mô hình FAO56 (Rnd_FAO) và năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat8 (Rnd_VT) 109

3.4.3 Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) với tham sốnhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh Landsat 8 114

3.4.4 Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô) với giá trị độ cao được chiết xuấttừ DEM và dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 116

3.4.5 Kết quả tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ)) với tham số

nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 117

3.4.6 Tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa theo mô hình Priestley – Taylor vớicác tham số chiết xuất, tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và giá trị độ cao từDEM tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam 119

3.4.7 So sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế đo tại các trạm khí tượng thủy vănETa_Đo và lượng bốc thoát hơi nước tính sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBALvới dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT 123

3.5 Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớpphủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên nền Google Earth Engine 126

3.5.1 Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớpphủ 126

3.5.2 Các giao diện chính của chương trình 127

Tiểu kết Chương 3 129

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 131

1 Kết luận 131

2 Kiến nghị 132

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước là một trong các nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mà Tráiđất ban tặng cho con người, nước cũng là thành phần quyết định đến sự sinh tồn vàphát triển của vạn vật trên Trái đất Trước những thay đổi của khí hậu, nguồn tàinguyên nước cũng như các nguồn tài nguyên thiên nhiên khác đang đứng trướcnguy cơ ngày càng cạn kiệt Do vậy, chúng ta cần xây dựng chiến lược khai thác, sửdụng hiệu quả và bảo vệ nguồn tài nguyên này.

Theo Allen và cộng sự 1990, Bốc hơi nước E (Evaporation) là sự trở lại của hơinước vào trong khí quyển thông qua sự khuếch tán của các phân tử nước từ đất, thảmthực vật, khối nước và các bề mặt ẩm ướt khác Thoát hơi T (Transpiration) là hiệntượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý củacây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi làsự thoát hơi nước của thực vật Tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của cácphân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước.

Nông nghiệp là một trong những ngành sử dụng nguồn nước ngọt lớn nhất Tuynhiên, do nguồn nước hạn chế nên các ngành nông nghiệp phải có chiến lược sửdụng tiết kiệm và tăng hiệu quả sử dụng nước trong tưới tiêu Một trong các giảipháp để cải thiện quản lý và tăng hiệu quả sử dụng nước chính là ước tính nhu cầutiêu thụ nước của cây trồng và lượng nước liên quan đến sự bốc thoát hơi nước ET(Evaporation Transpiration) Thông tin về ET rất quan trọng trong công tác quản lýtài nguyên nước, thông tin không gian và thời gian không chỉ xác định lượng nướcmất đi do bốc hơi mà còn chỉ ra được mối quan hệ giữa sử dụng đất, phân bổ và sửdụng nước.

Ở hầu hết các nơi trên thế giới, lượng bốc thoát hơi nước được xem là yếu tố quantrọng thứ hai của chu trình nước sau mưa Vì vậy, việc ước tính chính xác lượng bốc thoáthơi nước trên quy mô lớn, cho cả khu vực là nhiệm vụ cần thiết để định hướng, đề xuất chiếnlược quản lý nước phù hợp Thực tế, số lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn xác địnhlượng bốc thoát hơi nước tại các tỉnh ở Việt Nam còn

rất hạn chế, mặt khác việc thu thập dữ liệu tại các trạm còn khá thủ công, chi phí thuthập dữ liệu cao, hiệu quả lao động thấp Chính vì vậy, cần có các công cụ thu thậpdữ liệu về khí tượng, thủy văn trên quy mô lớn với chi phí thấp hơn và hiệu suất caohơn Để khắc phục các hạn chế, khó khăn của việc thu thập số liệu thủ công có thểsử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất dữ liệu khí tượng phục vụ tính toánlượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ trên quy mô lớn, chi phí giá thành rẻ,hiệu quả cao.

Thực tiễn đã có nhiều mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước khácnhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam Mỗi mô hình đều có những ưu,nhược điểm và phù hợp với các điều kiện địa hình, khí hậu và thực trạng bề mặt lớpphủ Việc lựa chọn mô hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặtlớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mô hình,tính ưu việt của các mô hình đó và phù hợp với trình độ khoa học công nghệ hiện tại.

Tại Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước hiện nay thường sử dụng kếtquả đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn Số liệu đo trực tiếp có ưuđiểm là số liệu đo hàng ngày, đo nhiều đợt trong ngày và dữ liệu được lưu trữ trongthời gian dài, tuy nhiên số liệu còn khá thô chưa thể cung cấp một cách chi tiết trongmột khu vực rộng lớn, đặc biệt là khu vực có địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu.Mặt khác, trong thực tế hiện nay có nhiều loại dữ liệu ảnh vệ tinh, viễn thám, từ ảnh vệtinh có độ phân giải thấp và trung bình như ảnh Modis, Landsat đến các loại ảnh vệ tinhAster, Sentinel có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam ở các thời điểm khácnhau Với các dữ liệu ảnh này, kết hợp với thông tin bổ trợ khác cho phép nghiên cứumối quan hệ giữa năng lượng bức xạ mặt trời với lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệuảnh vệ tinh Ngoài ra, ảnh vệ tinh viễn thám ngày càng có độ phân giải không gian vàthời gian tốt hơn với nhiều ứng dụng mới và dễ tiếp cận Chính vì vậy, rất thuận tiệncho việc ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh đặc biệt là sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trongcông tác ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước.

Khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình núi cao và chia cắt sâu, có nhiều khốinúi và dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Dãy Hoàng Liên Sơn dài

tới 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên từ 2.800 đến 3.000 m Dãy núiSông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1.800 m Giữa hai dãy núi này là vùngđồi núi thấp, lưu vực sông Đà, với hệ thống sông suối, thủy văn phong phú Trong lưuvực sông Đà còn có một dãy cao nguyên đá vôi chạy từ Phong Thổ tỉnh Lai Châu đếnThanh Hóa chia cắt hình thành các cao nguyên Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản và cáclòng chảo như Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh Do ảnh hưởng của độ cao, nền khíhậu Tây Bắc nói chung nóng hơn, số giờ nắng trung bình theo tháng thường cao hơnkhu vực khác, chênh lệch nhiệt độ cao hơn 2 - 3 0C so với khu vực Đông Bắc Ngoàira, vực Tây Bắc chủ yếu là diện tích đất nông, lâm nghiệp với độ che phủ rừng đạt44,7% và sự đa dạng về lớp phủ thực vật và các trạng thái rừng hỗn giao như rừngphòng hộ, đặc dụng và sản xuất Với những đặc điểm về địa hình, khí hậu, hệ thốngthủy văn và lớp phủ đặc trưng của khu vực Tây Bắc đây chính là các yếu tố ảnh hưởngtrực tiếp đến lượng bốc thoát hơi nước của khu vực Vì vậy, việc nghiên cứu giám sátlượng bốc thoát hơi nước cho khu vực Tây Bắc là rất cần thiết đảm bảo nhu cầu nướccho cây trồng, cảnh báo hạn hán, phòng tránh thiên tai, cháy rừng.

Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:“Nghiên

cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực TâyBắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh”.

2.Mục tiêu nghiên cứu

Luận án đặt ra 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

1 Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế(ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam.

2 Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoáthơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kếthợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam.

3.Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án: bốc thoát hơi nước của bề mặt lớpphủ; ảnh vệ tinh Landsat 8; mô hình SEBAL; mô hình Priestley - Taylor; nănglượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8.

+ Về dữ liệu ảnh vệ tinh: Nghiên cứu được thực nghiệm với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8.

5 Nội dung nghiên cứu của luận án

Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, đề tài luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tổng hợp công trình nghiên cứu trong vàngoài nước, các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu khí tượng vàdữ liệu ảnh vệ tinh;

- Cơ sở khoa học của việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh;

- Mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước với các tham số phùhợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hoà Bìnhkhu vực Tây Bắc Việt Nam;

- Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thoát hơi nước bề mặt lớp phủ sửdụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và môhình Priestley-Taylor;

- Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tếsử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine;

- Xác định lượng bốc, thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hìnhSEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor với hệ số tuyếntính a, b tính từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp cho các thời điểm ngày 01/7/2015,ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021, so sánh đánh giá kết quả với lượng bốc thoát hơinước từ các trạm khí tượng thuỷ văn.

6 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

-Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập các dữ liệu về sách, báo

các công trình nghiên cứu, niên giám thống kê, các tiêu chuẩn đã công bố liên quanđến phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ Các dữ liệuảnh viễn thám, số liệu quan trắc khí tượng tại các trạm khí tượng, thủy văn tỉnh HòaBình và các số liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh Hòa Bìnhphục vụ nghiên cứu.

-Phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu: Để đánh giá phân tích tổng quan

các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án Luận án đã sử dụng

phương pháp phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu có sử dụng các phươngpháp, mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước bằng phương pháp đo trực tiếp,phương pháp sử dụng số liệu quan trắc khí tượng và mô hình chiết xuất năng lượngbức xạ ròng mặt trời từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên thế giới và ở Việt Nam Từ đó, xácđịnh khoảng trống và đề xuất phương pháp, mô hình ước tính lượng bốc, thoát hơinước bề mặt lớp phủ phù hợp với thực tế tại khu vực Tây Bắc Việt Nam.

-Phương pháp viễn thám: Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được sử dụng làm

dữ liệu chính để tính toán năng lượng bức xạ ròng mặt trời, và các tham số khác để ướctính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình.

thoát hơi nước từ số liệu quan trắc khí tượng tại tỉnh Hòa Bình bằng các phương phápkhác nhau (Priestley-Taylor, Makkink, Hargreaves & Samani, Turn) Thực nghiệm tínhnăng lượng bức xạ ròng theo phương pháp FAO-56 và tính giá trị năng lượng bức xạ

ròng từ dữ liệu ảnh vệ tinh, từ đó lựa chọn được các phương pháp, mô hình tínhlượng bốc thoát hơi nước phù hợp với thực tế điều kiện khí hậu, địa hình và lớp phủtại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam.

-Phương pháp so sánh: Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng từ ảnh vệ tinh

Landsat 8 được so sánh với kết quả tính năng lương bức xạ ròng theo tiêu chuẩnFAO-56 từ đó phân tích đánh giá để khẳng định tính hiệu quả và khả năng áp dụngdữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc xác định năng lượng bức xạ ròng phục vụtính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ Kết quả ước tính lượng bốc thoáthơi nước với các tham số được chiết xuất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được sosánh với lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc để đánh giá độchính xác của kết quả tính Từ đó, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoáthơi nước phù hợp với điều kiện tại tỉnh Hòa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam.

-Phương pháp mô hình hóa: Kết quả nghiên cứu được xác định trên cơ sở

lựa chọn các mô hình, thuật toán phù hợp và được minh họa bằng hình ảnh, bảngbiểu, biểu đồ, sơ đồ và bản đồ nhằm thể hiện rõ ràng, tương quan đa chiều các kếtquả nghiên cứu đã thực hiện.

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Có thể sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinhLandsat 8 và mô hình Priestley-Taylor để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặtlớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam với điều kiện địa hình chia cắtmạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạngthái cây trồng khác nhau.

Các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ(năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd, nhiệt độ bề mặt Ts, nhiệt hóa hơi tiềmẩn λ, hằng số Psychrometric γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô, độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa củakhông khí Δ)) được tính trực tiếp từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từDEM mà không cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp Tạo cơ sở khoa học choviệc ứng dụng công nghệ tin học, tự động hóa trong việc ước tính, giám sát lượngbốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ.

Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của luận án là tư liệu về lý thuyết và thực nghiệm việc sửdụng ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao từ DEM để chiết xuất, tính toáncác tham số phục vụ tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ Giúp cho cáccơ quan quản lý về nông, lâm nghiệp, tài nguyên môi trường sử dụng nguồn nướcmột cách hiệu quả, phòng tránh giảm nhẹ các thiệt hại do hạn hán, cháy rừng trongsản xuất nông, lâm nghiệp.

Kết quả nghiên cứu của luận án đã khẳng định tính hiệu quả, khả thi của việcsử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, rút ngắn thờigian ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây BắcViệt Nam và có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực khác tại Việt Nam, mở rộngcác ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, thủy lợi, quản lý nguồn nước.

8.Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Giá trị của các tham số năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày

(Rnd), nhiệt ẩn quá trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô), độ dốcđường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ)) được tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

8 và mô hình số độ cao (DEM) có thể thay thế các tham số được tính từ dữ liệu khítượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn phục vụ ước tính, giám sát lượng bốcthoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.

Luận điểm 2: Hệ số tuyến tính a, b của mô hình Priestley - Taylor được xác

định bằng phương pháp thực nghiệm từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại cáctrạm khí tượng thuỷ văn Các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và môhình số độ cao (DEM) sử dụng trong mô hình, quy trình, chương trình ước tính,giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ đã đề xuất hoàn toàn phù hợp vàđảm bảo độ chính xác với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tại tỉnh HòaBình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.

9.Những điểm mới của luận án

- Đề xuất được hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phục vụ ước tính, giámsát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với điều kiện địa hình, khí

hậu và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạng thái cây trồng khác nhau của khu vực TâyBắc Việt Nam.

- Đề xuất được mô hình, qui trình và xây dựng được chương trình ước tính,giám sát lượng bốc thoát hơi nước lớp phủ bề mặt từ các tham số được tính toán từ ảnhvệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu vàbề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam không cần sử dụng số liệutừ các trạm quan trắc khí tượng thủy văn.

10.Cấu trúc của luận án

Kết cấu luận án gồm các phần chính sau:Mở đầu

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở khoa học sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ ước tính,giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ

Chương 3 Kết quả thực nghiệm và thảo luậnKết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảoPhụ lục

11 Lời cảm ơn

Quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện Luận án tại Trường Đại học Mỏ Địa chất em đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện của nhiều tậpthể, cá nhân và các nhà khoa học Nhân dịp này, em xin được gửi lời cảm ơn chânthành và lòng biết ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, quý thầy côKhoa Trắc địa bản đồ và Quản lý đất đai, Bộ môn Đo ảnh viễn thám, Ban giám hiệuTrường Đại học Lâm nghiệp, Viện Quản lý đất đai và PTNT, Bộ môn Trắc địa bảnđồ và GIS, các Nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Mỏ - Địa chất, giađình và bạn bè đồng nghiệp Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thểgiáo viên hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Trường, PGS.TS Doãn Hà Phong đã trựctiếp hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệmnghiên cứu quý báu và luôn động viên về tinh thần để em hoàn thành tốt Luận án.

-Trân trọng cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Nội dung chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thoát hơinước, các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớpphủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các công trình nghiêncứu trong và ngoài nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nướcbề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đềcần thảo luận phát triển trong luận án.

1.1 Các khái niệm bốc thoát hơi nước

1.1.1 Bốc hơi nước (E)

Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuyển thànhhơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là công đoạn đầu tiên trong vòngtuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển Nguyênnhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặt và ápsuất của khí quyển xung quanh Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn nhưhồ, sông, vỉa hè, đất trống và thảm thực vật Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhấtđược dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặt của khối nước, đất trống hay từ cácđối tượng không có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990).

(Nguồn: Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia NOAA, Hoa

Kỳ) Hình 1.1 Vòng tuần hoàn của nước

1.1.2 Thoát hơi nước (T)

Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặtlá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xungquanh nó Quá trình thoát hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyểnđược điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá Gần như toàn bộ lượng nước do cây trồng hấpthụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinhtrưởng phát triển Do đó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước củathực vật, tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khíquyển thường được gọi là sự thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

của rừng (P)

Bốc hơi nước từ bề mặt đất (q)Thảm thực vật rừng (O)

(Nguồn: Lê Anh Tuấn 2009)

Hình 1.2 Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng

Thoát hơi thực vật là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏbên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển Dođó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây Lượng nước bốc thoát hơi từ câytrồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển.

Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấy được, khi nước đang bốc hơitrên bề mặt các lá cây, bạn không thể đi ra ngoài và nhìn thấy các lá cây đang bốc

thoát hơi Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốc thoát hơi nướcnhiều lần hơn trọng lượng của chính nó Một mẫu Anh (tương đương 4046 m2)trồng ngô có thể thoát hơi được khoảng 11.400 - 15.100 lít nước/ngày, và một câysồi lớn có thể thoát hơi được 151.000 lít nước/năm (Allen và cộng sự 1990).

Sự thoát hơi nước từ thực vật bị tác động bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởngđến sự bốc hơi từ các bề mặt ẩm ướt khác Tuy nhiên, thực vật có rễ và có thể hấpthụ được nước từ trong khối đất khi bề mặt đất quá khô để hỗ trợ quá trình bốc hơi(Claude E Boyd 2012).

Các khối nước luôn luôn phơi ra một bề mặt ẩm ướt cho quá trình bốc hơi,nhưng thực vật cũng có thể tăng quá trình bốc hơi từ các khối nước Diện tích lá củamột số loài thực vật thủy sinh nổi hoặc trôi trên mặt nước có thể lớn hơn nhiều lầnso với bề mặt nước chúng bao phủ (Claude E Boyd 2012)

Như vậy, mặc dù lá của các loài thực vật có cơ chế để làm giảm sự bốc hơinước nhưng sự thoát hơi nước bởi các thảm thực vật, trạng thái rừng có thể vượt qúamức độ bốc hơi từ bề mặt đất thoáng.

1.1.3 Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)

Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và không có cách nào dễ dàngđể phân biệt giữa hai quá trình Ngoài lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốchơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất.Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây chephủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếudo bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàntoàn bề mặt đất, khi đó quá trình thoát hơi nước là nguồn chính trong quá trình bốcthoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặttrời, độ ẩm không khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ.

Bức xạ mặt trời và nhiệt độ có liên quan chặt chẽ với nhau và khi nhiệt độtăng, hàm lượng năng lượng của các phân tử nước gia tăng làm cho chúng có nhiều

khả năng để khuếch tán vào không khí Ngoài ra, không khí ấm hơn có khả năng tốthơn để giữ hơi nước Không khí ngay trên bề mặt ẩm ướt có thể nhanh chóng trởnên bão hòa với hơi nước, nhưng gió sẽ chuyển không khí bão hòa đi và thay vào đóbằng không khí khô hơn vì thế quá trình bốc hơi tiếp tục (Claude E Boyd 2012).

Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng dẫn đến nhiệt độ bề mặt (đất, nước)tăng lên tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể lỏng sang thể hơi Theocơ chế hoạt động của hệ mặt trời, dưới tác động của bức xạ mặt trời lượng nước bốchơi nhiều hơn về ban ngày và ít hơn vào ban đêm, mùa hè lượng bốc hơi nhiều hơnmùa đông (Lê Anh Tuấn 2009).

Lượng bốc thoát hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thìlượng bốc thoát hơi nước càng lớn, đặc biệt lượng bốc thoát hơi nước tăng lên đángkể trong mùa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong điều kiện không khí ấm hơn(Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2020).

Độ ẩm không khí tỷ lệ nghịch với lượng bốc hơi nước, độ ẩm không khí càngthấp thì khả năng bốc hơi nước càng lớn và ngược lại Vì sự chênh lệch áp suất củacủa các lớp không khí, vào mùa khô độ ẩm không khí thường thấp hơn dẫn đến ápsuất không khí cũng thấp dẫn đến lượng bốc hơi tăng Vào mùa mưa độ ẩm khôngkhí đạt giá trị cực đại (bão hòa hơi nước) thì hiện tượng bốc hơi gần như không có(Lê Anh Tuấn 2009).

Gió là sự thay đổi áp suất của các vùng khí quyển gây ra chuyển động củakhối không khí Tốc độ gió càng mạnh càng làm tăng sự cuốn hút của các phần tử ởbề mặt đất, nước chuyển từ thể lỏng thành thể khí và bay vào không trung Gió làmdịch chuyển khối không khí ẩm gần mặt đất lên cao, đẩy khối không khí khô hơn từtrên cao đến gần mặt đất dẫn đến khả năng bốc hơi tăng lên (Lê Anh Tuấn 2009).

Lượng thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cây trồng, mỗi loại câykhác nhau sẽ có giá trị thoát hơi nước với tốc độ khác nhau Các loại cây sống trongvùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác Ví dụ cây xương rồng để giữ lạilượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trồng khác Lượngthoát hơi nước được thể hiện tương ứng với diện tích lá trên một đơn vị bề mặt của

đất dưới nó Khi cây trồng còn nhỏ gần như 100% ET đến từ bốc hơi nước, trong khi

ở thời điểm sinh trưởng phát triển mạnh độ che phủ kín diện tích đất thì hơn 90% ET đến từ thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

1.1.5 Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation)

Lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt tham chiếu (là một loại cỏ giả định đểđối chiếu, bề mặt các đặc điểm cụ thể theo tiêu chuẩn) được gọi là bốc thoát hơinước của cây trồng tham chiếu ký hiệu là ET0 Khái niệm thoát hơi nước thamchiếu được đưa ra để nghiên cứu nhu cầu bốc thoát hơi của khí quyển, độc lập vớitừng loại cây trồng (Allen và cộng sự 1990).

ET0 tham chiếu là lượng bốc thoát nước qua một thảm thực vật được duy trìđộ ẩm đầy đủ trong suốt thời gian sinh trưởng Năm 1990, Tổ chức Lương thực vàNông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO ), Hội tưới tiêu Quốc tế và Tổ chức khí tượngthế giới tổ chức một hội nghị để thống nhất phương pháp xác định lượng bốc thoáthơi của cây trồng Các nhà khoa học (Doorenhos và Fruit 1975) đã đưa ra kháiniệm lượng bốc thoát hơi tham chiếu (Reference evapotranspiration), viết tắt làET0, để chỉ khả năng bốc thoát hơi thực vật theo tiêu chuẩn hoặc điều kiện thamkhảo (tham chiếu) ET0 là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn,trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấpnước đầy đủ trong điều kiện tối ưu Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao củacây trồng h = 0,12m, điện trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là0,23.

Khi các tham số về cây trồng, điện trở bề mặt, suất phân sai bề mặt đã đảm bảotheo tiêu chuẩn khi đó yếu tố ảnh hưởng đến ET0 là các thông số về khí hậu Do đó,ET0 là một thông số khí hậu và có thể được tính toán từ dữ liệu thời tiết ET0 thể hiệnsức mạnh bay hơi của bầu không khí tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong nămvà không xem xét đến các đặc tính của cây trồng và các yếu tố đất đai.

Phương pháp FAO 56 Penman - Monteith được khuyến nghị là phương phápduy nhất để xác định ET0 áp dụng trên toàn thế giới và được hướng dẫn cụ thể

trong tài liệu “sự thoát hơi nước của cây trồng - hướng dẫn tính toán các yêu cầu vềnước cho cây trồng” (Allen và cộng sự 1998).

1.1.6 Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc)

Sự thoát hơi nước của cây trồng trong điều kiện tiêu chuẩn, được ký hiệu làETc, là sự thoát hơi nước từ những cây trồng sạch bệnh, được bón phân đầy đủ,trồng trên những cánh đồng lớn, trong điều kiện nước tối ưu và đảm bảo về sảnlượng trong những điều kiện khí hậu nhất định.

Lượng nước cần thiết để bù lại lượng thoát hơi nước mất đi từ ruộng trồngtrọt được xác định là nhu cầu nước cho cây trồng Mặc dù các giá trị về thoát hơinước của cây trồng và nhu cầu nước của cây trồng là giống nhau, nhưng nhu cầunước của cây trồng là lượng nước cần cung cấp, trong khi lượng thoát hơi nước củacây đề cập đến lượng nước bị mất đi do thoát hơi nước.

Sự thoát hơi nước của cây trồng có thể được tính toán từ dữ liệu khí tượng vàbằng cách tích hợp trực tiếp các yếu tố kháng cây trồng, kháng albedo và không khítrong phương pháp Penman - Monteith Vì vẫn còn thiếu thông tin đáng kể về cácloại cây trồng khác nhau, nên phương pháp Penman - Monteith được sử dụng đểước tính loại cây trồng tham chiếu (tiêu chuẩn) để xác định tốc độ thoát hơi nướccủa nó, tức là ETc (Allen và cộng sự 1990).

1.1.7 Thoát hơi nước trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj)

Sự thoát hơi nước của cây trồng trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj)là sự thoát hơi nước từ cây trồng được quản lý và điều kiện môi trường khác vớiđiều kiện tiêu chuẩn Khi canh tác cây trồng trên ruộng, lượng thoát hơi nước củacây trồng thực có thể bị lệch khỏi ETc do các điều kiện không tối ưu như sâu bệnh,đất nhiễm mặn, độ phì nhiêu của đất, thiếu nước hoặc úng Điều này có thể làm chocây phát triển kém, mật độ cây thấp và có thể làm giảm tốc độ thoát hơi nước theođiều kiện chuẩn ETc.

Sự thoát hơi nước của cây trồng trong các điều kiện không tiêu chuẩn đượctính bằng cách sử dụng hệ số điều chỉnh Kc cho tất cả các loại ứng suất khác và các

hạn chế về môi trường đối với sự thoát hơi nước của cây trồng (Allen và cộng sự 1990).

1.1.8 Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation)

Lượng thoát hơi nước qua lá trong quá trình phát triển của cây trồng cộng vớilượng bốc hơi nước qua mặt thoáng trong thời kỳ đó (Allen và cộng sự 1990).

1.1.9 Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước

Khái niệm về mô hình: là sự đơn giản hóa hiện thực một cách có chủ định,cho phép các nghiên cứu bỏ qua mặt thứ yếu để tập trung chủ yếu vào các nội dungcó ý nghĩa quan trọng đối với vấn đề nghiên cứu.

Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước: là sự ước tính, theo dõi,quan sát lượng bốc thoát hơi nước có tính chủ động, thường xuyên, liên tục theo mộtquy trình, mô hình đã được xây dựng sẵn Quy trình, mô hình được xây dựng dựa trênviệc đề xuất có chủ định của các yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng bốc thoát hơi nước.

1.2 Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng

1.2.1 Các phương pháp đo trực tiếp

1.2.1.1 Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche

Phương pháp quan trắc bốc hơi bằng ống Piche là phương pháp đơn giản, dễthực hiện, nội dung phương pháp được mô tả như sau:

Ống bốc hơi Piche là một ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính 1cm, có khắc vạch, một đầu kín, một đầu hở được đậy bằng một mặt giấy xốp trònmầu trắng có nẹp kim loại để giữ.

Khi sử dụng, rót nước vào ống, bịt đầu hở bằng giấy xốp rồi treo ngược ốngtrong lều khí tượng, nước ngấm qua giấy thấm rồi bốc hơi.

Diện tích bốc hơi là 13cm2, kể cả hai mặt giấy xốp Mỗi vạch khắc lớn trênống ứng với 1mm nước bốc hơi, mỗi vạch khắc nhỏ là 0,1mm.

Phương pháp quan trắc: Hàng ngày quan trắc bốc hơi vào lúc 7h và 19h, ghi

lại số đọc trên ống Piche và tính lượng bốc hơi.

Lượng bốc hơi trong 12h là hiệu số giữa số đọc kỳ quan trắc này với số đọccủa kỳ quan trắc trước.

(Nguồn: Bộ Tài nguyên Môi trường 2012)

Hình 1.3 Ống đo bốc hơi Piche

Ví dụ: 7h số đọc thang bốc hơi là 1,2 mm; 19h số đọc thang bốc hơi là 5,7mm Khi đó, lượng bốc hơi từ 7h đến 19h là: 5,7 – 1,2 = 4,5 mm Chú ý, khi đọc trịsố bốc hơi thì đọc số tại vị trí ngang mặt lõm của mực nước trong ống Piche.

Cách thay giấy thấm: Hàng ngày sau quan trắc 7h phải đổ thêm nước và

thay giấy thấm ống Piche Sau khi đổ thêm nước, chờ cho nước thấm hết giấy rồiđọc trị số, ghi bên cạnh số đọc lúc 7h để tính lượng bốc hơi lúc 19h Phải giữ ốngbốc hơi Piche sạch sẽ, không cáu bẩn, dùng nước mưa, nước sạch để đổ vào ống(Bộ Tài nguyên Môi trường 2012)

1.2.1.2 Phương pháp thủy tiêu kế (Lysimeter)

Bản chất của phương pháp thủy tiêu kế được mô tả như sau:

Thủy tiêu kế (Lysimeter) là một thiết bị dùng để xác định giá trị bốc thoát hơitham chiếu (ET0) của một cây trồng theo một điều kiện tưới chủ động Bằng cách đothể tích nước hay trọng lượng ta có thể xác định lượng bốc thoát hơi dựa vàophương trình cân bằng nước.

Bốc thoát hơi

TướiĐo mưa (R)

Hầm đo thấm sâu

(Nguồn: Lê Anh Tuấn 2009)

Hình 1.4 Bố trí thiết bị đo (ET0) theo phương pháp thủy tiêu kế

Thủy tiêu kế có dạng là một thùng hình trụ tròn có đường kính khoảng 30 cmvà độ cao 25cm được đổ đầy đất như loại đất canh tác Đáy thùng có chỗ để nướcthoát ra nhằm đo lượng nước thấm sâu Hầm chứa lượng nước thấm sâu có đườngkính 30cm và chiều cao 42cm được bố trí ngay gần đó Bên cạnh đó, thiết bị đo mưabằng thùng đo mưa cũng được lắp đặt (Thiết bị đo mưa có thể chứa được 5,5 lítnước) Mặt trên của thùng, cây trồng được gieo cấy đều đặn giống như môi trườngbên ngoài (Hình 1.4).

Một cách tổng quát, bằng cách đo lượng mưa rơi trong khu vực (R), lượng tưới

(I) và lượng thấm sâu xuống đất (P), lượng bốc thoát hơi (ET0) sẽ được xác định theo:

Một số nơi, người ta dùng cân (đặt ở dưới thủy tiêu kế) để xác định sự thayđổi lượng nước ở thủy tiêu kế để xác định lượng bốc thoát hơi nước (Lê Anh Tuấn,2009).

Ưu nhược điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm: Thiết bị đo cho độ chính xác xác định ET0 là tương đối khá cao, dễ sử dụng.

+ Nhược điểm: Bố trí các điểm đo phức tạp, kinh phí xây dựng và duy trì bảo quản thiết bị đo lớn.

1.2.2 Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models)

Có nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để ước tính lượng bốc thoát hơinước từ bề mặt lớp phủ Trong đó, các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nướcET sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.Các mô hình tiêu biểu sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời để tính lượng bốc thoáthơi nước bề mặt như sau:

1.2.2.1 Mô hình Makkink

Năm 1957 mô hình Makkink đã được đề xuất và sử dụng rộng rãi cho đếnngày nay do đã giảm bớt một số các thông số đo ngoại nghiệp mà phương phápFAO Penman đang sử dụng Độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào hệ số tuyếntính u, v của phương trình, đòi hỏi phải có kết quả kiểm chứng thực địa Mô hìnhMakkink đề xuất công thức tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bứcxạ mặt trời như sau:

Hệ số tuyến tính của mô hình Makkink sử dụng trong việc tính lượng bốcthoát hơi nước từ bề mặt địa hình được xác định vào thời điểm đề xuất mô hình(1957) có trị số là: u = 0,61 và v = 0,12 Tuy nhiên, hệ số tuyến tính u, v phụ thuộcvào điều kiện khí hậu và yếu tố địa hình của từng khu vực nghiên cứu Theo nghiêncứu của Hasen xác định tại Hà Lan năm 1984, hệ số u, v có giá trị là u = 0,70 và v =0 Kết quả nghiên cứu giữa Trường Đại học Uppsala (Thụy Điển) và Trường Đạihọc Louisiana (Mỹ) do Xue và Singh thực hiện khảo sát vào năm 1999, hệ số u =0,77 và v = 0,22 (Makkink 1957)

1.2.2.2 Mô hình Priestley-Taylor

Năm 1972, Priestley - Taylor đề xuất mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ mặt trời có dạng sau:

Hệ số tuyến tính a, b của mô hình Priestley - Taylor (1972) sử dụng trongviệc tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ có trị số là: a = 0,61 và b =0,12; kiểm định tại Thụy Sĩ năm 1984, cho kết quả a = 0,90 và b = 0; kiểm định tạichâu Á (Đài Loan), 2005, a = 1,00 và b = 0.

Mô hình Priestley-Taylor là mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước đượcdùng khá phổ biến trên thế giới Ưu điểm của mô hình là cho độ chính xác tính toánlượng bốc thoát hơi nước cao, yêu cầu số liệu đầu vào ít, dễ tính toán Độ chính xáctính lượng bốc thoát hơi nước phụ thuộc vào kết quả lựa chọn tham số a, b của môhình Hệ số tuyến tính a, b phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu của từng khuvực nghiên cứu cụ thể, cần có các nghiên cứu thực nghiệm để xác định (Priestley vàTaylor 1972)

Giá trị nhiệt độ trung bình ngày (0C)

Irmak là mô hình đơn giản để tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế trung bìnhngày Kết quả tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ theo mô hình Irmak có

độ chính xác khá cao, sử dụng rất ít tham số đầu vào và thường được sử dụng trongthực tế (Irmak và cộng sự 2003)

1.2.2.4 Kết quả nghiên cứu tính lượng bốc thoát hơi nước từ một số mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời

Theo nghiên cứu của (Xu1 và Singh 2001) thực nghiệm sử dụng 4 mô hìnhtính lượng bốc thoát hơi nước thực tế từ năng lượng mặt trời, so sánh với lượng bốcthoát hơi nước đo trực tiếp từ thiết bị đo là chậu Pan Kết quả và sai số tính toánđược thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1.1 Bảng thống kê sai số của một số mô hình sử dụng bức xạ mặt trời tínhtoán lượng bốc thoát hơi nươc ET0 so với thiết bị đo trực tiếp chậu Pan

1.2.3 Các mô hình kết hợp (combined models)

Các mô hình tính toán lượng bốc thoát hơi nước sử dụng phương pháp kếthợp dữ liệu được phát triển bởi công thức Penman (1948).

1.2.3.1 Mô hình Penman

Năm 1948, Penman đã đề xuất mô hình tính toán lượng bốc hơi nước bằngphương pháp kết hợp giữa phương pháp cân bằng năng lượng bức xạ mặt trời vàphương pháp chuyển đổi khối lượng có dạng như sau:

– Tốc độ gió ở độ cao 2m (m/s); - Áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ trên bề mặt nước (kPa);- Áp suất hơi nước bão hòa ở độ cao đo trên mặt nước (kPa); , - hàm số của gió; - hằng số.

Ưu điểm của mô hình là ước tính lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu vớiđộ chính xác cao Tuy nhiên, mô hình sử dụng nhiều tham số đầu vào, đòi hỏi nhiềusố liệu về khí tượng, các tham số phải tính toán qua nhiều bước trung gian, phức tạp(Penman 1948).

ở áp suất không đổi (kg/m3); rs và ra - là sức cản bề mặt và khí động học (s/m); - Ápsuất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ trên bề mặt nước (kPa); - Áp suất hơi nước bão hòa ởđộ cao đo trên mặt nước (kPa).

1.2.3.3 Mô hình FAO 56 Penman – Monteith

nước tham chiếu (ET0) Mô hình FAO 56 Penman – Monteith nằm trong nhóm môhình kết hợp và là một trong những mô hình chính xác nhất để xác định lượng bốcthoát hơi nước trong các thời gian khác nhau Mô hình đã được Tổ chức Lương thựcvà Nông nghiệp thế giới (FAO) đề xuất năm (1990), và cụ thể thành tiêu chuẩn ápdụng trên toàn thế giới Phương trình FAO 56 Penman – Monteith dùng để xác địnhgiá trị bốc thoát hơi nước tham chiếu, là một hàm số phụ thuộc nhiều dữ liệu thờitiết tại chỗ và xung quanh khu vực xem xét Các thông số này được mô tả chi tiếttrong tài liệu hướng dẫn tính toán của FAO (Allen và cộng sự 1998).

Công thức tính lượng bốc thoát hơi tham chiếu ET0 theo FAO 56 Penman –Monteith như sau:

-Các thông số trong công thức trên có thể tính từ số liệu do ngành khí tượngcung cấp kết hợp với công thức và bảng tra theo tài liệu của FAO, Granier (1985).Mô hình FAO 56 Penman - Monteith cho kết tính toán với độ chính xác rất caonhưng khối lượng tính toán lớn, phức tạp và phải có đủ tài liệu ban đầu.

1.3 Các mô hình xác ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh

Các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinhhiện nay trên thế giới đang được nghiên cứu và phát triển theo 2 hướng chính:1 Cân bằng năng lượng bề mặt đất EB (Energy Balance), đây là mô hình sửdụng phản xạ, bức xạ bề mặt lớp phủ trên ảnh vệ tinh trong dải phổ nhìn thấy và cậnhồng ngoại của phổ điện từ, nhiệt độ bề mặt từ kênh ảnh nhiệt hồng ngoại.

2 Phản xạ dựa trên hệ số cây trồng (Kc) và phương pháp xác định lượng bốcthoát hơi nước tham chiếu ET0, trong đó hệ số cây trồng Kc liên quan đến chỉ số thực vậtbắt nguồn từ giá trị phản xạ tán lá.

Trong hai phương pháp này thì phương pháp tính toán sử dụng mô hình cânbằng năng lượng bề mặt được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm vàứng dụng chủ yếu trong các nghiên cứu Các ứng dụng dựa trên nguyên lý cân bằngnăng lượng bề mặt gồm các mô hình tiêu biểu như sau:

1.3.1 Mô hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface EnergyBalance Algorithms for Land)

Nguyên lý của mô hình SEBAL (Bastiaanssen và cộng sự 1998) là sử dụngphương trình cân bằng năng lượng bề mặt đất Lượng bốc thoát hơi nước ET đượctính toán từ ảnh vệ tinh và dữ liệu khí tượng Ảnh vệ tinh cung cấp thông tin trongmột khoảng thời gian tức thời, mô hình SEBAL tính lượng bốc thoát hơi nước tứcthời tại thời điểm chụp ảnh Bốc thoát hơi nước ET được tính toán cho từng điểmảnh theo phương trình cân bằng năng lượng lượng bề mặt như sau:

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC ET

H(Thông lượng nhiệt cảm ứng) (Bốc thoát hơi nước)ET

Hình 1.5 Nguyên lý cân bằng năng lượng bề mặt SEBAL

Giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) đại diện cho năng lượng bức xạthực tế tại bề mặt đất Nó là hiệu số giữa bức xạ mặt trời đi tới bề mặt đất và lượngbức xạ phản xạ, phát xạ từ bề mặt đất trở về khí quyển Bức xạ ròng hấp thụ bởi mặtđất được mô tả bằng biểu thức sau:

Rn = RS↓ - α RS↓ + RL↓ - RL↑ - (1-εo) RL↓ (1.9) Trong đó: RS↓ - Năng lượng tới sóng ngắn (W/m2/giờ); α RS↓ - Năng lượng

phản xạ sóng ngắn (W/m2/giờ); RL↓ - Năng lượng tới sóng dài (W/m2/giờ); RL↑ Năng lượng phát xạ sóng dài (W/m2/giờ); (1-εo)RL↓ - Năng lượng phản xạ sóngdài(W/m2/giờ).

-Trong công thức (1.9) tính bức xạ ròng bề mặt đất hấp thụ, tia tới sóng ngắn RS↓còn lưu lại trên mặt đất là một hàm số của suất phân sai bề mặt đất α Suất phân sai bềmặt là một hệ số phản xạ được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng bức xạ, phản xạ đếncác năng lượng bức xạ liên quan trong quang phổ mặt trời Nó được tính toán bằngcách sử dụng thông tin hình ảnh vệ tinh về quang phổ cho mỗi kênh ảnh của vệ tinh.Tia tới sóng ngắn R S↓ được tính toán sử dụng hằng số mặt trời, góc tới năng lượng mặttrời, khoảng cách tương đối giữa Mặt trời và Trái đất, tính toán truyền

dẫn qua khí quyển Tia tới sóng dài RL↓ được tính toán bằng sử dụng phương trìnhStefan-Boltzmann với sự truyền dẫn qua khí quyển và nhiệt độ tham chiếu bề mặtđược chọn Tia phát xạ sóng dài RL↑ được tính toán sử dụng phương trình Stefan-Boltzmann với tính toán sự phát xạ bề mặt và nhiệt độ bề mặt Nhiệt độ bề mặt đượctính toán từ thông tin ảnh vệ tinh trên kênh bức xạ nhiệt Độ phát xạ bề mặt là tỷ sốgiữa bức xạ phát xạ thực tế từ bề mặt phát xạ bởi một vật đen ở nhiệt độ bề mặttương ứng Trong mô hình SEBAL, phát xạ được tính toán từ hàm chỉ số thực vật.Cuối cùng tia phản xạ sóng dài (1-εo) RL↓ là đại diện cho phần của bức xạ sóng dàiđi đến nó là sự mất đi từ bề mặt do phản xạ.

Năng lượng cần thiết cho sự bốc thoát hơi nước từ bề mặt được tính theo cáctham số của phương trình (1.9) Trong đó, thông nhiệt bề mặt hấp thụ G được tínhtheo kinh nghiệm sử dụng chỉ số thực vật, nhiệt độ bề mặt, suất phân sai bề mặt.Năng lượng nhiệt cảm ứng được tính bằng cách sử dụng các số liệu quan trắc nhưtốc độ gió, ước tính độ nhám bề mặt và sự khác biệt nhiệt độ không khí trên bề mặt.Mô hình SEBAL đã sử dụng quá trình tính lặp đi lặp lại một cách chính xác cho sựthay đổi trong khí quyển do ảnh hưởng của xu thế đi lên của nhiệt bề mặt.

Dòng nhiệt ẩn được tính toán cho từng điểm ảnh, với lượng bốc thoát hơinước tức thời ET tương ứng được tính toán dễ dàng bằng cách chia cho nhiệt ẩn làmbay hơi nước ( ) Tất cả các giá trị đó được sử dụng ngoại suy từ tỷ số giữa lượngbốc hơi nước tức thời ET và lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu cây trồng ET theongày hoặc theo mùa Lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu, bốc thoát hơi nước theogiai đoạn ETr, được xác định từ bề mặt chuẩn với điều kiện lớp phủ kín cỏ linh lăngvà được tính toán trong mô hình SEBAL sử dụng dữ liệu khí tượng.

Mô hình SEBAL có thể tính toán lượng bốc thoát hơi nước cho vùng bằngphẳng, khu vực nông nghiệp với độ chính xác tin cậy.

1.3.2 Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index)

Bản chất của mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt là dựa trên sự tươngphản giữa vùng ẩm ướt và vùng khô (Choudhury và Menenti 1993) đã đề xuất mô hìnhSEBI để tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ những vùng nhỏ dễ bay hơi Mô

hình này dựa trên chỉ số thực tế sử dụng nước của cây trồng (CWSI, giá trị bốc hơitương đối được xác định bằng tổng hợp nhiệt độ quan sát trong một phạm vi tối đacủa nhiệt độ bề mặt, cân bằng năng lượng bề mặt cho thấy một giới hạn lý thuyếttrên và dưới về sự khác biệt bề mặt và nhiệt độ không khí Ở đây theo điều kiệnkhô, bay hơi được giả định là 0 cho các điểm lớp ranh giới để mật độ thông lượngnhiệt hợp lý có giá trị lớn nhất Ts, max (nhiệt độ bề mặt lớn nhất) Ts, max là nghịch đảocủa phương trình chuyển đổi khối lượng, nó được tính như sau:

Trong đó: – đại diện cho lớp nhiệt độ đường biên trung bìnhcủa địa cầu

- Khí động học làm chuyển đổi nhiệt hợp lý (s/m).

Nhiệt độ thấp nhất của bề mặt thu được cho các khu vực ẩm ướt từ phươngtrình (1.11) bằng cách tính toán lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng từ phương trìnhPenman-Monteith không xem xét sự đề kháng ở bên trong:

,min ( − )( − )−

Nội suy giá trị nhiệt độ bề mặt quan sát với giá trị nhiệt độ lớn nhất và nhỏnhất của bề mặt, phần bay hơi tương đối sau đó sẽ được tính theo công thức sau:

quyển Biến đổi mô hình CWSI, Menenti and Choudhury xác định về mặt lý thuyết

các dãy điểm tối ưu cho LE và Ts tính toán nguyên nhân sự biến đổi bốc hơi thực tếbề mặt do có độ phản xạ và độ nhám khí động học.

Đối với bề mặt cụ thể với suất phân sai bề mặt thay đổi và gồ ghề, điểm ảnhtối ưu và nhiệt độ bề mặt nhỏ nhất được xác định lại theo mô hình CWSI Điểm ảnhtối ưu trong mô hình SEBI được tính toán để có được giá trị bốc hơi nước cho vùngtừ phần bay hơi tương đối.

1.3.3 Mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System)

Một mô hình nổi tiếng là hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt là SEBS (Su2002, 2001, 2005, Su và cộng sự 2003) đã thiết kế sửa đổi từ mô hình SEBI choviệc ước tính cân bằng năng lượng bề mặt sử dụng dữ liệu viễn thám, được đặt tênlà SEBS Mô hình SEBS ước tính dòng nhiệt hợp lý và dòng nhiệt ẩn từ dữ liệu vệtinh và từ những dữ liệu khí tượng thông thường có sẵn Tính toán các tham số vậtlý của bề mặt đất, tính toán độ dài của độ nhám cho sự truyển nhiệt, và ước tínhphần nước bay hơi dựa vào cân bằng năng lượng ở các trường hợp giới hạn là cơ sởchính của phương pháp SEBS Trong mô hình SEBS, dòng nhiệt ẩn làm bốc thoáthơi nước được coi bằng 0 ở điều kiện giới hạn khô, nghĩa là dòng nhiệt hợp lý đạtgiá trị lớn nhất của nó khi đó Hdry = Rn − G Mặt khác, ở giới hạn ẩm, giá trị ET diễnra tại thời điểm đó theo tỷ lệ mức tiềm năng (LEwet), khi đó sự bay hơi chỉ bị hạnchế bởi năng lượng sẵn có cho một bề mặt riêng biệt và điều kiện khí quyển vàthông lượng nhiệt hợp lý đạt giá trị nhỏ nhất của nó, Hwet Dòng nhiệt hợp lý tại giớihạn khô và ẩm được thể hiện như sau:

Trong đó: ra - phụ thuộc vào độ dài của Obukhov, nó là hàm của tốc độ ma

sát và thông nhiệt lượng hợp lý Phần bốc hơi nước tương đối (EFr) và phần bốc hơi

(EF) khi đó được thể hiện như sau:

Bằng cách sử dụng lý thuyết tương tự, một sự phân biệt trong mô hình SEBSgiữa lớp biên của khí quyển và lớp bề mặt khí quyển Phân biệt như vậy để có chiềucao của lớp đường biên khí quyển là một tham chiếu của nhiệt độ không khí tiềmnăng để tính toán dòng nhiệt.

Ưu điểm chính của mô hình SEBS bao gồm: (1) Xem xét sự cân bằng nănglượng trong các trường hợp giới hạn, giảm thiểu sự không chắc chắn liên quan đếnnhiệt độ bề mặt và sự thay đổi thời tiết; (2) đưa ra công thức mới về chiều cao độnhám địa hình cho sự truyền nhiệt thay vì sử dụng các giá trị không đổi; (3) đặctrưng cho dòng nhiệt thực tế thay đổi bất thường mà không cần kiến thức kinhnghiệm nào; và (4) đại diện cho các thông số liên quan đến phản xạ của bề mặt.

1.3.4 Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index)

Một phương pháp mới nhận được từ đơn giản hóa mô hình chỉ số cân bằng nănglượng bề mặt (SEBI), được gọi là mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt đơn giản(S-SEBI), đã được phát triển để tính thông lượng nhiệt bề mặt từ dữ liệu viễn thám(Roerink và cộng sự 2000) Tương phản giữa bề mặt (albedo) độ phụ thuộc lớn nhất vềphản xạ và nhiệt độ bề mặt nhỏ nhất với vùng khô và ẩm, là cơ sở chính của phươngpháp này để phân vùng năng lượng sẵn có thành năng lượng nhiệt hợp lý và năng lượngnhiệt ẩn Các dữ liệu khí tượng bổ sung có thể được chiết suất trên các cảnh ảnh nghiêncứu Bằng cách giả định rằng bức xạ toàn cầu và nhiệt độ không khí là ổn định, sự giảithích về điều kiện vật lý về sự phản xạ bề mặt quan sát và nhiệt độ trong cách tiếp cậncủa mô hình S-SEBI có thể đưa ra khi đặc tính của bề mặt với sự thay đổi cảnh ảnhgiữa vùng tối/ẩm ướt và vùng khô/sáng của các điểm ảnh Sự phản xạ thấp, nhiệt độ bềmặt còn lại hầu như không đổi với phản xạ tăng lên bởi vì có lượng nước bên dưới đủtrong các điều kiện Sự phản xạ cao, do tăng lên của nhiệt độ bề mặt đến một giá trị vớisự tăng lên của phản xạ và được định nghĩa là "bốc hơi

được kiểm soát" vì thực tế rằng sự thay đổi về nhiệt độ ở giai đoạn này là hoàn toànđược kiểm soát bởi giảm bốc hơi do độ ẩm sẵn có trong đất là ít Ngoài sự chuyểnđổi đường cong của phản xạ, nhiệt độ bề mặt giảm với sự tăng lên của phản xạ bềmặt Tại thời điểm này, giá trị độ ẩm của đất giảm xuống tới một mức độ mà sự bayhơi không thể xảy ra Vì vậy, năng lượng sẵn có được sử dụng làm nóng bề mặt.Như vậy, sự tăng lên của trường phản xạ bề mặt là suy giảm bức xạ ròng, do đónhiệt bề mặt tạo ra là nhỏ tương ứng với nhiệt độ, nó được gọi là “bức xạ kiểm soát”(Roerink và cộng sự 2000, Liou và cộng sự 2002) Ở đây, phần bay hơi (EF) đượchạn chế bởi các vùng khô và ẩm ướt và công thức đưa ra bởi nội suy phản xạ phụthuộc nhiệt độ bề mặt giữa phản xạ phụ thuộc lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ bềmặt như trong phương trình (1.17):

Trong đó: - nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện khô nó đại diện cho

dòng nhiệt ẩn nhỏ nhất (LEdry = 0) và dòng nhiệt ẩn lớn nhất (Hdry = Rn − G); - nhiệtđộ bề mặt tương ứng với điều kiện ẩm nó đại diện cho dòng nhiệt ẩn lớn nhất (LEwet

=(Rn − G )) và thông nhiệt lượng hợp lý nhỏ nhất (Hwet = 0) cho sự phản xạ bề mặt

được thể hiện dưới sơ đồ hình 1.6 sau:

Suất phân sai bề mặt đất α)