Nghiên cứu đánh giá độ chính xác và so sánh bộ số liệu độ dày quang học sol khí MODIS C.6.1 độ phân giải 3 km và 10 km tại Việt Nam

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000143 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SO SÁNH BỘ SỐ LIỆU ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ MODIS C.6.1 ĐỘ PHÂN GIẢI KM VÀ 10 KM TẠI VIỆT NAM Bùi Thị Hiếu, Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Hoàng Hiệp Khoa Kỹ thuật mơi trường, Trường Đại học Xây dựng TĨM TẮT Nhiều nghiên cứu giới đánh giá độ xác số liệu độ dày quang học sol khí (AOD) trích xuất từ vệ tinh MODIS phạm vi địa phương toàn cầu Tuy nhiên, nghiên cứu có nội dung Việt Nam cịn hạn chế Do đó, mục tiêu nghiên cứu kiểm định độ xác tổng thể diễn biến giá trị trung bình tháng số liệu độ dày quang học thu từ vệ tinh MODIS C.6.1 có độ phân giải km 10 km với số liệu độ dày quang học thu ba trạm AERONET lãnh thổ Việt Nam bao gồm trạm Nghĩa Đô, Sơn La Bạc Liêu Kết nghiên cứu cho thấy số liệu độ dày quang học trung bình tháng MODIS theo sát xu hướng diễn biến số liệu AERONET Mặc dù số liệu km có độ xác tổng thể thấp so với số liệu 10 km, số liệu km có sai lệch so với số liệu 10 km trạm Bạc Liêu vào tháng 9, 10, 11 Ngoài ra, số liệu MODIS khu vực đất liền có độ xác cao so với số liệu MODIS khu vực ven biển Từ khóa: Độ dày quang học sol khí (AOD), MODIS, AERONET, độ phân giải km, độ phân giải 10 km GIỚI THIỆU Hai vệ tinh MODIS Terra Aqua có khả cung cấp đặc tính vật lý sol khí có độ phủ tồn cầu với độ phân giải thời gian khơng gian cao Bộ số liệu 6.1 cấp độ cung cấp số liệu độ dày quang học sol khí (AOD) trung bình ngày sử dụng thuật tốn mục tiêu tối với độ phân giải km 10 km Bộ số liệu AOD với độ phân giải không gian km ứng dụng để đánh giá cục chất lượng khơng khí (Remer cộng sự, 2013) Bộ số liệu km kỳ vọng cung cấp số liệu có độ xác cao để xác định đặc tính cụ thể thể chùm khói gradient sol khí với độ phân giải cao hơn, cung cấp số liệu sol khí tốt có mây nơi có đường bờ biển, hịn đảo nhỏ (bộ số liệu 10 km khơng cung cấp số liệu sol khí trường hợp này) Với ưu điểm độ phân giải không gian cao, nhà nghiên cứu giới kỳ vọng sử dụng số liệu MODIS AOD km để tạo đồ chi tiết diễn biến sol khí xác định tính chất cục chất lượng khơng khí Một số nghiên cứu đánh giá số liệu MODIS AOD km cấp độ toàn cầu (Remer cộng sự, 2013), khía cạnh tính chất bề mặt thị nơng thôn (Munchak cộng sự, 2013), vùng cụ thể (Nichol Bilal, 2016) Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu so sánh số liệu MODIS AOD km 10 km 6.1 Việt Nam Vì vậy, bối cảnh chất lượng mơi trường khơng khí có xu hướng suy giảm nghiêm trọng Việt Nam, việc kiểm định, đánh giá số liệu MODIS AOD km trở nên vô cần thiết Do đó, mục tiêu nghiên cứu so sánh tương quan, diễn biến theo tháng số liệu vệ tinh MODIS AOD km 10 km với số liệu AOD thu ba trạm quan trắc mặt đất AERONET (Nghĩa Đô, Sơn La Bạc Liêu) Việt Nam PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng số liệu MODIS Terra Aqua trung bình ngày cấp độ thuật tốn mục tiêu tối với độ phân giải km 10 km cho giai đoạn 2010-2016 tải từ LAADS website (https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/) Để đảm bảo số liệu MODIS AOD có chất lượng tốt, số liệu MODIS AOD kiểm định cách so sánh chúng với số liệu AOD cấp 316 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” độ 2.0 đo quang phổ kế đặt trạm quan trắc mặt đất thuộc mạng lưới AERONE Việt Nam bao gồm trạm đô thị (Nghĩa Đô), trạm đô thị ven biển (Bạc Liêu), trạm nông thôn miền núi (Sơn La) Số liệu trạm tải từ AERONET website (http://aeronet.gsfc.nasa.gov/) Do giá trị AOD thay đổi đáng kể ngày, số liệu MODIS AOD so sánh với số liệu tham khảo AERONET AOD đo với khoảng thời gian tương ứng với ngày Sự tương thích mặt thời gian số liệu AERONET AOD với số liệu MODIS AOD thực theo phương pháp Ichoku cộng (2003) Số liệu MODIS AOD lấy trung bình hình vng có cạnh 50 km 15 km với vị trí quang phổ kế tâm ô số liệu 10 km km Các giá trị trung bình đồng khơng gian thời gian tiếp sử dụng bước kiểm định số liệu MODIS AOD với việc áp dụng phương pháp phân tích hồi quy tuyến tính đơn MODIS AOD với AERONET AOD Ngoài ra, hệ số xác định (R2), sai số bình phương trung bình (RMSE ) độ lệch trung bình (RMB), biên sai số (EE) sử dụng để đánh giá độ xác số liệu MODIS AOD KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết kiểm định số liệu vệ tinh MODIS AOD số liệu AERONET AOD Kết so sánh số liệu độ dày quang học sol khí MODIS AERONET thể hình Tổng số cặp MODIS-AERONET ba trạm AERONET sử dụng để đánh giá độ xác số liệu độ dày quang học sol khí sử dụng thuật tốn mục tiêu tối với độ phân giải km 10 km Nhìn chung, số liệu độ phân giải km 10 km cho kết có khác biệt khơng đáng kể xem xét thông số hệ số xác định, sai số bình phương trung bình, phần trăm số cặp nằm biên sai số Số lượng cặp nằm biên sai số số liệu độ dày quang học sol khí với độ phân giải km 10 km tương ứng 57.056 60.363 Kết tương đồng nghiên cứu Sayer cộng (2014) Cả hai số liệu km 10 km thể đánh giá cao độ dày quang học sol khí với giá trị RMB 1,046 1,006 Những khác biệt thuật tốn trích xuất hai số liệu dẫn tới khác biệt độ xác hai số liệu bao gồm mức độ đánh giá cao độ dày quang học sol khí so với giá trị số liệu AERONET Nhìn chung, số liệu km trạm xem xét có độ xác thấp số liệu 10 km số liệu km có giá trị RMB cao hơn, phần trăm số cặp MODIS AERONET rơi vào biên sai số thấp hơn, giá trị RMSE thấp số liệu 10 km Sự sai khác hai số liệu km 10 km liên quan tới hai yếu tố tỷ lệ mây ước tính phản xạ từ bề mặt Ngồi ra, khác biệt thuật tốn nhóm ô trích xuất liệu hai số liệu dẫn tới số liệu km có tỷ lệ mây thấp đánh giá thấp phản xạ từ bề mặt dẫn tới độ xác số liệu km thấp số liệu 10 km Do số liệu km có độ phân giải cao số liệu 10 km, nên số liệu km giữ lại ô số liệu bề mặt không đồng (những ô số liệu loại bỏ thuật toán số liệu 10 km) Những ô số liệu bề mặt không đồng thường xuất khu vực thị với tính chất bề mặt phức tạp làm tăng giá trị phản xạ bề mặt, dẫn tới đánh giá cao giá trị độ dày quang học sol khí so với số liệu AERONET 3.2 Đánh giá diễn biến trung bình tháng số liệu độ dày quang học MODIS Giá trị độ dày quang học sol khí trung bình tháng MODIS so sánh với AERONET để đánh giá độ xác sản phẩm MODIS AOD (Hình 2) Nhìn chung, số liệu MODIS AOD km 10 km có khả mơ tả biến đổi theo mùa giá trị AERONET AOD ba địa điểm nghiên cứu Xu hướng diễn biến độ dày quang học sol khí theo tháng số liệu km 10 km giống trạm Nghĩa Đô trạm Sơn La Tuy nhiên, số liệu km theo sát diễn biến độ dày quang học sol khí số liệu AERONET số liệu 10 km trạm Bạc Liêu vào tháng 9, 10, 11 Sai lệch số liệu MODIS km, 10 km với số liệu AERONET trạm ven biển Bạc Liêu cao hai trạm Nghĩa Đơ Sơn La Do đó, số liệu MODIS AOD khu vực ven biển cho số liệu có độ xác thấp so với 317 Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 khu vực đất liền, điều khẳng định nghiên cứu Zhang cộng (2017) Hình So sánh số liệu MODIS AOD DT 10 km km với số liệu AERONET AOD tất trạm đo: (a) Bộ số liệu 10 km; (b) Bộ số liệu km Hình Giá trị trung bình tháng MODIS AOD AERONET AOD bước sóng 550 nm với giá trị sai khác trung bình tháng MODIS AOD AERONET AOD ba trạm: 1) Bạc Liêu, 2) Nghĩa Đô, 3) Sơn La với đường nét đứt màu xanh, đường màu xanh đường nét đứt màu vàng AERONET AOD, MODIS AOD sai lệch hai số liệu KẾT LUẬN Nghiên cứu đánh giá độ xác số liệu độ dày quang học sol khí MODIS AOD độ phân giải km 10 km cách so sánh hai số liệu với số liệu tham khảo thu ba trạm AERONET lãnh thổ Việt Nam có tính chất bề mặt khác bao gồm trạm đô thị (Nghĩa Đô), trạm đô thị ven biển (Bạc Liêu), trạm nông thôn miền núi (Sơn La) Bộ số liệu MODIS AOD so sánh với số liệu AERONET AOD phương diện đánh giá tổng thể độ xác đánh giá diễn biến giá trị trung bình tháng độ dày quang học sol khí Kết thu cho thấy, số liệu MODIS AOD km có độ xác thấp so với số liệu MODIS AOD 10 km Cả hai số liệu MODIS AOD km 10 km có khả thể diễn biến trung bình tháng độ dày quang học sol khí thu ba trạm AERONET Tuy nhiên, trạm Bạc Liêu, số liệu km cho giá trị gần với giá trị AERONET số liệu 10 km vào tháng 9, 10, 11 Ngồi ra, độ xác số liệu MODIS AOD sử dụng thuật toán mục tiêu tối vùng ven biển có độ xác thấp so với khu vực đất liền Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 105.08-2017.301 318 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Levy R C., Mattoo S., Munchak L A., Remer L A., Sayer A M., Patadia F., and Hsu N C., 2013 The Collection MODIS aerosol products over land and ocean Atmos Meas Tech., 6: 2989–3034 [2] Munchak L., R Levy, S Mattoo, L Remer, B Holben, J Schafer, C Hostetler, and R Ferrare, 2013 MODIS km aerosol product: applications over land in an urban/suburban region Atmospheric Measurement Techniques, 6(7), 1747-1759 [3] Nichol J E., and M Bilal (2016) Validation of MODIS km Resolution Aerosol Optical Depth Retrievals Over Asia Remote Sensing, 8(4), 328 [4] Ichoku C., Remer, L A., Kaufman, Y.J., Levy, R., Chu, D.A., Tanre´, D., Holben, B.N, 2003 MODIS observation of aerosols and estimation of aerosol radiative forcing over southern Africa during SAFARI 2000 Journal of Geophysical Research, 108 (D13): 84-99 [5] Sayer, A M., Munchak, L A., Hsu, N C., Levy, R C., Bettenhausen, C., and Jeong, M.-J, 2014 MODIS Collection aerosol products: comparison between Aqua’s e-Deep Blue, Dark Target, and “merged” data sets, and usage recom-mendations J Geophys Res.-Atmos., 119: 13965–13989 [6] Zhang, M., Huang, B., He, Q, 2017 An evaluation of four MODIS collection aerosol products in a humid subtropical region Remote sensing, 9: 1173 EVALUATION AND COMPARISON OF MODIS KM AND 10 KM COLLECTION 6.1 AEROSOL OPTICAL DEPTH IN VIETNAM Bui Thi Hieu, Nguyen Duc Luong, Nguyen Hoang Hiep National University of Civil Engineering (NUCE), Vietnam ABSTRACT There has been a number of studies that extensively validated MODIS satellite-based aerosol optical depth (AODs) by performing the spatiotemporal collocation with ground-based AERONET stations on both global and regional scales However, research on this topic over Vietnam is still very limited Therefore, the goal of this research is to inter-compare the MODIS Terra and Aqua C6.1 DT 10 km, km with the AERONET AODs at Nghia Do, Bac Lieu, and Son La stations with respect to the overall accuracy and the monthly mean trends The monthly mean trends of MODIS AODs followed closely the monthly mean trends of AERONET AODs in all stations Although, MODIS km expressed inferior performance than the 10 km respect to the overall accuracy, the monthly mean values of MODIS km were closer with AERONET in September, October, and November Moreover, performances of MODIS products over the coastal site were inferior compared to the non-coastal site Key words: Aerosol Optical Depth (AOD), MODIS, AERONET, km resolution, 10 km resolution 319