Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật trắc địa: Khảo sát hệ số PWV từ bóng thám không và hệ thống định vị vệ tinh GPS

So sánh kết qua PWV của dữ liệu bóng thám không và của dữ liệu GPS có độ lệch nhỏ, dao động trong khoảng -0.9mm +1.2mm, ngoài ra giá trị PWV thay đôi phù hợp với thời tiết thay đôi trong

HUYNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

KHAO SAT HE SO PWV TU BONG THAM

KHONG VA HE THONG ĐỊNH VI VỆ TINH GPS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc dia

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, 11/2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu

Cán bộ cham nhận xét 1: PGS TS Dao Xuân Loc

Cán bộ cham nhận xét 2 : TS Lê Trung Chơn

Luan văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG TP Hồ

Chí Minh, ngày tháng năm 20

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)1 PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu

PGS TS Đào Xuân Lộc

TS Lê Trung Chơn

TS Luong Bảo Bình

ye Ye TS Lam Dao Nguyên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

KY THUẬT XÂY DUNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Huỳnh Nguyễn Định Quốc MSHV: 11224490

Ngày, thang, năm sinh: 05/03/1984 Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa — Bản đồ Mã số: 60520503

I TEN DE TÀI: “Khảo sát hệ số PWV từ bóng thám không và hệ thống định vị

vệ tỉnh GPS”

Il NHIEM VU VÀ NỘI DUNG:+ Thu thập dữ liệu bóng thám không vô tuyến va dữ liệu GPS& Tính hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không và từ dữ liệu GPS% So sánh kết quả PWV của hai hệ thống trên

& Rút ra kết luận và kiến nghịIll NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/06/2013 - c c2 ằ,IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 22/11/2013 V._ CÁN BỘ HUONG DAN: PGS TS NGUYÊN NGOC LẦẤU

Tp HCM, ngay tháng nam 201

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS NGUYÊN NGỌC LAU PGS TS NGUYÊN NGỌC LAU

TRUONG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

Xin chân thành cám ơn toàn thé quý thầy cô Bộ môn Dia Tin Học trường Daihọc Bách Khoa TP.HCM đồng thời em xin bay tỏ lòng biết on sâu sắc tới thầy PGS.TS NGUYEN NGOC LAU đã dành nhiều tâm huyết, tận tình hướng dan, chỉ bảo,truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian làm luận văn.

Em xin dành sự biết ơn sâu sắc gui đến Ban lãnh đạo của trạm khí tượng caokhông Tân Sơn Hòa tại TP.HCM đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian làm luận

văn.

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ, em xin chân

thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp giảng viên của Khoa Trắc địa Bản đồ trường Đạihọc Tài Nguyên và Môi Trường TP.HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện hoàn thành quá

trình học tap, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ.

Mac dù em đã rất cố găng hoàn thiện luận văn bang tất cả sự nhiệt tình va nănglực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót hoặc có những phần

nghiên cứu chưa sâu Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thây, Cô

Em xin trân trọng cám on!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2013

Huỳnh Nguyễn Định Quốc

Lượng hơi nước tích tụ (Precipitable water vapor — PWV) trong khí quyên rấtcần thiết trong công tác dự báo thời tiết Việc xác định chỉ số PWV một cách chínhxác hiện nay đang là van dé được nhiều người quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủyvăn Một kỹ thuật mới được phát trién gần đây là dùng tín hiệu GPS dé đo hệ số PWVthông qua độ trễ của tín hiệu khi đi qua tâng đối lưu Trong Luận văn này, học viên

tiễn hành thu thập dữ liệu bóng thám không vô tuyến và dữ liệu GPS Từ dữ liệu bóngthám không tính hệ số hơi nước tích tụ PWV Tính độ trễ đối lưu thiên đỉnh, từ đó

tính hệ số hơi nước tích tụ PWV từ dữ liệu GPS Tién hành kiểm tra trên dữ liệu đượccung cấp miễn phí của trạm IGS Áp dụng tính toán hệ số PWV cho dữ liệu GPS của

trạm khảo sát tại TP.HCM và phân tích mối quan hệ của nó với thời tiết diễn ra trong

ngày So sánh kết qua PWV của dữ liệu bóng thám không và của dữ liệu GPS có độ

lệch nhỏ, dao động trong khoảng -0.9mm +1.2mm, ngoài ra giá trị PWV thay đôi phù

hợp với thời tiết thay đôi trong ngày, từ đó dé xuất phương pháp mới xác định hệ sốhơi nước tích tụ băng công nghệ GPS trong lĩnh vực khí tượng thủy văn.

MỤC LỤC

Chương 1: MO ĐẦUU - <5 << 9v 9v ưng vung 11.1 GIỚI THIEU CHUNG 2-5 5° <5 <5 << SE E9 e9 x9 xe 21.2 TÍNH CAP THIET CUA DE TAL -5< 5< 5S<+se+seEsereeeereerserseee 21.2.1 May phóng xạ kế hơi nước — Water vapor Radiometer (WVR) 31.2.2 Hệ thống do khí tượng ngay tại bề mặt Trái đất - 5s csssecsesesecee 41.2.3 Hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí câu ¿2 6s +x+x£essese se 51.2.4 Hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt dat (Ground

based remote SCMSCTS) V GHHdHIiaaađaaia 5

1.2.5 Hệ thống do khí tượng bằng bóng thám không vô tuyễn - eens 61.2.6 Hệ thống đo khí tượng bằng vệ tinh GPS 5G < x xxx cee 71.3 MỤC DICH, DOI TUONG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU 9

1.3.1 Mục dich nghiÊn cứỨu - - + Ăc {c2 020110101 10110 111111111111 1111111 11 13 x4 9

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - + £+x sex set 91.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIEN -5 5 <5 s5 sseesses se 101.4.1 Ý nghĩa khoa hỌC c- s31 E91 1E ng HE cưng ng cư rkg 101.4.2 Ý nghĩa thực tiỄn G- s11 E1 TT HT HT HH ng ng 10

Chương 2: TONG QUATN - 2G G5 hưng cư ngưng 112.1.SU DUNG BONG THÁM KHONG VO TUYẾN TRONG LĨNH VUC KHÍ

TUONG TAI VIET NAM.uu c.cscsesesescsssccecsccssssssssesssesssessceccsssssessessssesessesesssescesevecs 12

2.2 TONG QUAN VE TINH HÌNH NGHIÊN CỨU 5 5 55 5 552 132.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giớii - - - ket E*E*kSxE*E#k ke skcEskekrersed 13

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƯỚC «<5 << 3311111153333 111111115 53x xx2 17

i HV: HUỲNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

Chương 3: KIÊN THỨC CƠ SỞ 5- 5 5° 5 5x Sư E9 x Sex csee 203.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VE BONG THÁM KHÔNG VÔ TUYẾN 213.1.1 Khái niệm bóng thám không vô tuyến ¿+ + k+E£sEsE£keEeEeeesrsed 213.1.2 Bóng thời tiẾT - c1 HT TH TT HT TH TT HT TH TT HH ưu 223.1.3 Thiết bị thám không vô tuyén cee ceccesecsscsssceesscscescecscesvscsessevsesvasenees 243.2 THUAT TOÁN XÁC ĐỊNH HE SO HƠI NƯỚC PWV TU DU LIEU BONGTHÁM KHÔNG VÔ TUYEN c.cccccscssccssscocssscccscsescccsscscsescccsscccsescccsscessccsccceeses 283.2.1 Thuật toán xác định hệ số PWV của Y Liu [10T -. -<<<5 283.2.2 Thuật toán xác định hệ số PWV của Van phòng Dịch vụ Dự báo Thời TiếtQuốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [7] - ¿sec cssseceea 313.2.3 Anh huong cua sai số trị đo khí tượng lên hệ số PWV tính từ bóng thám khôngVÔ TUYẾN) s11 5 11911111 1 51110111111 TT HT TH TT HT TH TT Hàng net 323.3 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH HE SO HƠI NƯỚC TÍCH TU PWV TỪ DU

LIEU DO 16) ''-:-:-Õö534- 34

3.3.1 Phương pháp xác định độ trễ đối lưu thiên đỉnh TZD - 5s 55552 373.3.1.1 Thiết lập trị đo tỔ hop LL4 «c3 E98 1E SE cư gen ưkg 393.3.1.2 Lấy hiệu trị đo tổ hợp L3 giữa 2 vệ tinh và một máy thu 5: -¿ 403.3.1.3 Sản phẩm của tô chức IS -¿ -c s St 18v Y cv E1 ng cv ưkn 40

3.3.1.4 Hiện tượng đa đường cc c0 00111012 111 1v 1n vu ca 413.3.1.5 Bộ lọc Kalman FIÏ{€T - - - cE CS E11 2133 1111111 1y ky cv ke rve 42

a Giới thiệu về bộ lọc Kalman .cccccccccccccssescescescescessessessescescescescescscscsscesesees 42

b Công thức KaÌman - - << <2 2131013030103 131131110103 111111110 1 11111 xà 43

c Tóm tat các công thức Kalimann G- s56 S2 2x E SE SE cv cv cke 493.3.2 Thuật toán tính độ trễ đối lưu thiên đỉnh - ¿+2 2 + +52 £+£+££szsze£zzze 503.3.3 Mô hình độ trễ đối lưu cho thành phan khô ZHD - 2 25 se +s£s£ss2 54

ii HV: HUỲNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

3.3.4 Ước tính độ chính xác của hệ số P'W V - ¿+ se SE 11111215151 E121 1 te 56

Chương 4: THU THẬP DU LIEU, XU LÝ VA PHAN TÍCH KET QUÁ 584.1 THU THẬP DU LIEU ĐO THỰC TE BANG BONG THÁM KHONG VOTUYẾN TU TRAM QUAN TRAC CAO KHONG TAN SƠN 59

4.1.1 Phần mềm DigiCORA - k1 E111 1 11c HT TH HT ng net 62a Cửa số Sounding COTIfFỌ s33 SE SE vn ng ng re reg 64b Cửa số Radio - - - ST 1 1 1111111111101 11 111105010 11111110111 1101T111010111 Tri 65c Cửa số hiển thi số liệu thơ PTU (Raw PTU) cccccscescscecescssscesssctscessceceerscnees 65d Cửa số Sonde Trajectory (Quỹ đạo máy thám khơng) - 6s se cssd 66e Ctra sỐ trạng thái GPS G- G1 TT 1T TH TT HT TH TT Hàng 674.1.2 Phần mềm Metgraph xxx EE SE 11x E1 S111 1g ng re 68a Đồ thị Metgraph tk S TT TT HT TH TH TT HH ng ru 68b Đồ thị Hodograph - - s31 E3 1111 1E 1c HT ng ng net 69c Đồ thị nhiệt động lực (ThermodynamiC) se s8 E#xcExEsecvserxes 694.2 THỜI GIAN THU THẬP DU LIEU BONG THÁM KHƠNG VƠ TUYEN.704.3 THU THẬP DU LIEU ĐO THUC TE TỪ TRAM ĐO GPS 714.4 MƠ TA DU LIEU BONG THÁM KHONG VA DU LIEU GPS 734.5.XU LY DỮ LIEU BONG THÁM KHONG VO TUYỂN TU TRAM QUANTRAC CAO KHONG TAN SƠN HỊA - TP.HCM 5 5 5 5555555552 76

4.5.1 Giới thiệu chương trình tính hệ số PWV từ dữ liệu bĩng thám khơng vơ tuyến

"HH 76

4.5.2 Kết quả tính hệ số PWV từ dit liệu bĩng thám khơng vơ tuyến 784.6 XỨ LY DU LIEU TỪ TRAM ĐO GPS <5 <5 << se eseeesee 864.6.1 Giới thiệu chương trình tính hệ số PWV từ dữ liệu GPS -. c c5 se: 86

iii HV: HUỲNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

4.6.2 Kiểm tra thuật toán trên dữ liệu trạm IGS quốc — 88a VỊ trí trạm IGS dùng để kiểm tra thuật toán - - -c -c se Es SE se se sec: 88b Giới thiệu so lược sản phẩm IGS ceecscessescesceseccessceseecscsssvsctsvevseeeeees 90€ KẾT quả SG S111 TT TT TH TT TT TT TH TT TH TH nàn net 934.6.3 Kết quả xử lý dữ liệu từ trạm do GPS (Việt Nam) .-s- cv scsee: 964.7 PHAN TICH VÀ ĐÁNH GIÁ KET QUA 5-5-5-5-5°555e5e5e: 103Chương 5: KET LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ, - 5 <5 «<< se Ssseseseeese 1095.1 CAC VAN DE DAT ĐIƯỢCC 2-5 5 sư Sư cưng gu gu xe 1105.2 KHO KHAN VÀ HAN CCHÍ, 2-2 <1 E99 sex xe 1115.3 KIÊN TNGH], G5 5 x1 hư ưng ưng 112

TÀI LIEU THAM KH ÁOO 5-5 5° 5 E29 5x1 ES 5x eEsxe 113

iv HV: HUỲNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

CHƯƠNG 1

MO DAU

Trang 1 HV: HUYNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

1.1 GIỚI THIEU CHUNGLuong hoi nước tích tu (Precipitable water vapor — PWV) trong khí quyền rấtcan thiét trong công tac du báo thời tiết Việc xác định chỉ số PWV một cách chínhxác hiện nay đang là vẫn đề được nhiều người quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủyvăn Hơi nước khí quyền là một thành phan quan trọng trong sự hình thành của mây,mưa và thời tiết khắc nghiệt Vì vậy, việc xác định chỉ số PWV là một mục tiêu cơbản của khí tượng học Để xác định PWV, có nhiều hệ thống đo các tham số khítượng, chăng hạn dùng hệ thông bóng thám không vô tuyến, hệ thống đo khí tượngngay tại bề mặt Trái Dat, hệ thống đo khí tượng bang bo phan cam biến từ xa trên mặtđất (Ground-based remote sensors), hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí cầu(aircraft), hệ thống đo khí tượng bang vệ tinh GNSS Một kỹ thuật mới được pháttriển gần đây là dùng tín hiệu GPS dé đo hệ số PWV thông qua độ trễ của tín hiệu khiđi qua tầng đối lưu Dựa vào dữ liệu bóng thám không vô tuyến để xác định hệ sốPWV thông qua các tham số nhiệt độ, áp suất, độ âm tương đối của tầng đối lưu.Ngoài ra, sử dụng dữ liệu GPS cũng tính toán được hệ số PWV Từ hai kết quả nhậnđược từ hai hệ thống trên có thể đưa ra hướng nghiên cứu trong ngành khí tượng vềviệc sử dụng hệ thống định vi GPS trong lĩnh vực dự báo thời tiết tại Việt Nam Trêncơ sở đó, cung cấp cho các nhà dự báo thời tiết một công cụ mới về việc xác định cácyếu tố khí tượng thủy văn.

Đề tai luận văn của học viên sẽ tập trung vào việc tính toán hệ số PWV từ dữliệu bóng thám không vô tuyến, đồng thời tính hệ số PWV từ dit liệu GPS trong cùngkhoảng thời gian thả bóng thám không vô tuyến, từ đó so sánh độ lệch giữa hai hệthống này

1.2 TINH CAP THIET CUA DE TÀIPWV là lượng hơi nước tại một điểm trên bề mặt trái đất được biểu diễn là độcao của một cột chất lỏng tương đương Giá trị này có thể được dùng trong việc dựbáo sự biến đổi khí hậu và nghiên cứu thời tiết Sự thay đôi lớn một lượng hơi nướctrong không khí cần được theo đõi để giúp phát hiện và dự đoán sự thay đổi khí hậu

của trai dat.

Trang 2 HV: HUYNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

Hơi nước là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính trên hành tinh, nên nócân phải được đo chính xác trên toàn câu Dé thực hiện việc dự báo chính xác tronglĩnh vực khí tượng, việc đo lường chính xác chỉ sô hơi nước trong khí quyên là cânthiết và đang được các nước quan tâm.

Hiện nay để giám sát hơi nước trong tang đối lưu của khí quyền Trái Đất hiệnnay có nhiều hệ thống đang được sử dụng trên thế giới Mỗi hệ thống đều có ưu,nhược điểm khác nhau Tuy nhiên, tùy theo độ chính xác và tùy theo từng yêu cau cụthé mà có thé sử dụng hệ thống giám sát hợp ly

Vệ tinh địa cực

—

>Z ~Z

Vệ tinh địa tĩnh Z

ari rl Vé tinh GPS

ie thu ans

oF khi tuong Do khí tượng

ga kinh khí cầu bi hi

Do khi tuong ae > ang phi co

bang may bay ⁄ 9 Ọ —:

thương mại 4 Q ©) ở ợ ©— Bong thám chong vo tuyén ÿ

Raman Lidar

Dai duong

Hình 1.1: Một số hệ thông khác nhau trên mặt đất hoặc trên không giám sát hoi nướcMột số hệ thông giám sát hơi nước hiện nay đang được sử dụng trên toàn thégiới được thé hiện hình 1.1 Chúng ta sẽ phân tích lần lượt từng hệ thống giám sát hơi

nước hiện nay đang sử dụng.

1.2.1 Máy phóng xạ kế hơi nước - Water Vapour Radiometer (WVR): là thiết biđo nhiệt độ của bầu khí quyền trên hai kênh ở tần số 23.8GHz và 31.5GHz đặc trưngcủa hơi nước và nước lỏng như hình 1.2 Hơi nước tích tụ PWV, độ trễ ướt thiên đỉnh

Trang 3 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

ZWD (Zenith Wet Delay) và độ trễ tổng theo phương thiên đỉnh ZTD (Zenith Total Delay)

có thé do được từ nhiệt độ của bầu khí quyền khi sử dụng phương pháp chuyển đổiphóng xạ Một thiết bị logger dùng dé đo bức xa và cung cấp các yếu tố khí tượng nhưáp suất, nhiệt độ và độ âm Thiết bị WVR đo được cả lượng nước trong mây Tuynhiên, do thiết bị WVR có trọng lượng lớn nên không thé di chuyển được Ngoài ra,thiết bị WVR hoạt động bị giới hạn bởi độ bao phủ nghèo nàn, đồng thời hoạt động

không ôn định dưới trời mưa lớn.

Hình 1.2: Thiết bi Phóng xạ kế hơi nước WVR1.2.2 Hệ thống đo khí tượng ngay tại bề mặt Trái Đất: gồm các trạm quan trắckhí tượng trên bề mặt Trái Đất, dựa vào điều kiện địa hình mà các trạm quan trắcđược bố trí trên khắp lãnh thổ, thông thường trong vòng bán kính 100km sẽ có mộttrạm quan trắc khí tượng bề mặt Dụng cụ được sử dụng đo các thông số khí tượng làcác bầu đo độ âm khô, ướt và âm kế điểm suong Nguồn dữ liệu khí tượng bề mặt trêntoàn câu được tập hợp trong thời gian dài có độ tin cậy cao Thông thường các trạmquan trắc khí tượng bề mặt được thực hiện ít nhất mỗi ngày hai lần và liên tục theotừng ngày Do các yếu tố khí tượng càng lên cao càng thay đối, nhưng các trạm khítượng mặt đất chỉ thu thập dữ liệu ngay tại bề mặt dưới 5m, vì vậy các yếu tố khí

tượng cao trên 5m thì các trạm đo không chính xác Do đó dữ liệu khí tượng của các

Trang 4 HV: HUỲNH NGUYEN ĐỊNH QUOC

trạm mặt đất chỉ cung cấp các yếu tô khí tượng như hướng gió, độ âm, nhiệt độ bê mặtáp suất chính xác ngay tại bề mặt dưới độ cao 5m

1.2.3 Hệ thống đo khí tượng từ phi cơ, kinh khí cầu: Thiết bị đo khí tượng đượclắp trên máy bay nghiên cứu, máy bay thương mại hoặc kinh khí cầu như hình 1.1.Các dụng cụ đo khí tượng gồm các âm kế điểm sương và cảm biến điện dung Sửdụng máy bay nghiên cứu hay thương mại hoặc kinh khí cau có thé đo khí tượng ở vitrí tại thời điểm bat kỳ, cung cấp dữ liệu tại nhiều vị trí trên thế giới tốt hơn các thiếtbị khác Tuy nhiên, việc đo đạc bằng máy bay, kinh khí cầu rất ton kém, chi phílớn, do đó việc thu thập dữ liệu khí tượng bị hạn chế Ngoài ra, việc sử dụng thiết bịnhư máy bay thương mại, kinh khí cầu không được triển khai rộng rãi trong dân sự.1.2.4 Hệ thống đo khí tượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất(Ground-based remote sensors): Là công cụ do không khí trên bề mặt Trái đất nhưhình 1.3 Các bộ phận cảm biến khác nhau được sử dụng trong khí tượng mà chủ yếulà sử dụng bức xạ điện từ hoặc sóng âm Bức xạ cảm biến được tạo ra và người nhận

ở mặt đất quan sát số lượng bức xa tan xạ hoặc phản ánh trong bau khí quyền Kết

hợp với các công cụ khác, chang han như điện toán dam may radar, sodar (một côngcụ khí tượng su dung hướng gió để đo sự tán xạ của sóng âm bởi sự nhiễu loạn khíquyền) có thé đưa ra một thông tin toàn diện của khí quyền Do đó, hệ thống đo khítượng bằng bộ phận cảm biến từ xa trên mặt đất cung cấp dữ liệu chất lượng cao Bêncạnh việc cung cấp dữ liệu thì giá thành cũng là một yếu tố cần phải xem xét Ngoàiyếu tố giá thành của hệ thống đất tiền, còn đòi hỏi người vận hành hệ thống phải cóchuyên môn Tuy nhiên, lúc mặt trời mọc và mặt trời lặn và trong điều kiện trời nhiềumây thì hệ thống bị hạn chế, dữ liệu thu thập không chính xác

Trang 5 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

1.2.5 Hệ thong do khí tượng bang bóng thám không vô tuyến: Sử dụng qua bóngthời tiết (bên trong được bom day khí Hydro hoặc Heli) dé đưa thiết bị thám không vôtuyến chứa các senser đo độ 4m, nhiệt độ, áp suất, lên độ cao xấp xi 30km trongkhí quyền như hình 1.1 và hình 1.4 Trong quá trình bay lên của qua bóng thời tiết,thiết bị thám không vô tuyến vừa thu dé liệu trong khí quyén và vừa truyền dữ liệuxuống trạm thu trên mặt đất.

Việc quan sát các hệ số khí tượng trong khí quyền tương đối dễ dàng Phuong

pháp này được sử dụng từ 1930, vì vậy toàn bộ dữ liệu thu thập trong thời gian dài

vẫn được sử dụng tham khảo Mạng lưới toàn cầu của khoảng 800 trạm thực hiện ít

Trang 6 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

nhất 2 “giám sat” mỗi ngảy tại một trạm, tuy nhiên có thé tăng số lượng “giám sát”trong ngày khi có nhu cầu đặc biệt Dữ liệu được thu thập ở tang đối lưu có độ tin cậycao hơn đữ liệu thu ở tầng bình lưu Tại Việt Nam, chỉ có 3 trạm thả bóng thám khôngvô tuyến, chỉ “giám sát” 2 lần trong 1 ngày Dữ liệu chi thu được khi qua bóng thờitiết vẫn còn tôn tại trên bầu trời, và việc truyền dữ liệu sẽ “tat” khi quả bóng nô Chấtlượng quan sát cũng kém tại những nơi có độ âm cao và thấp Sự khác biệt về thiết bịcũng như cách sử dụng thiết bị giữa các quốc gia, đồng thời thiết bị được thay đổi

theo thời gian, làm cho sự giải thích dữ liệu thu thập và lưu trữ gặp khó khăn Bóng

thám không vô tuyến phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nếu như thời tiết có gió lớn,giông bão thì số liệu thu nhận sẽ không đáng tin cậy Ngoài ra, giá thiết bị thám khôngvô tuyến đắt nên để có được dữ liệu thì chi phí bỏ ra rất lớn Vì vay, việc thả bóngkhông được thực hiện “thường xuyên” tại các trạm, mà chỉ thả 2 lần trên một ngày,lúc 00.00h UTC và lúc 72.00: UTC dé thu dữ liệu (tại Việt Nam), nên dữ liệu phụthuộc vào số lần thả bóng thám không

1.2.6 Hệ thống đo khí tượng bang vệ tinh GPS: Bên cạnh việc sử dụng hệ thôngđịnh vị vệ tỉnh GPS để đo đạc trong lĩnh vực trắc địa, một kỹ thuật mới được pháttriển gần đây là dùng tín hiệu GPS để xác định hệ số hơi nước tích tụ PWV thông quađộ trễ của tín hiệu đi qua tầng đối lưu Đây cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng vàđược nhiều nước trên thế giới quan tâm trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, nhất làtrong ngành dự báo thời tiết Hệ thống đo khí tượng băng vệ tỉnh GPS cung cấp lượnghơi nước tích tụ trong khí quyén và một số thông tin trên diện rộng, cung cấp dữ liệu

hơi nước trên các khu vực lớn và không chịu ảnh hưởng lớn bởi những đám mây Dữ

liệu độ âm toản cầu trong tầng bình lưu và ở trên tầng đối lưu thu được rất tốt Độchính xác và độ phân giải theo chiều dọc cao Hiện tại, việc thăm dò hơi nước toàncầu bang vệ tinh GPS được quan tâm ở các nước trên thế giới Tuy nhiên, dữ liệu thuthập không chính xác trong những khu vực nhiều mây Dữ liệu bị giới hạn ở các vùngđại dương bị đóng băng, vùng phủ sóng bị hạn chế bởi các đám mây, việc thu dữ liệuở các vùng nhiệt đới bị hạn chế Việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS tronglĩnh vực khí tượng mới đối với nước ta nên đây cũng là hướng có tiềm năng dé nghiên

Cứu.

Trang 7 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Nhận xét:

Mỗi hệ thống đo khí tượng có những ưu nhược điểm khác nhau vi vậy, các hệthống sẽ bổ sung cho nhau nhằm mục đích giám sát hơi nước trong khí quyền Trongdé tài Luận van, học viên chỉ chú trọng vào hai hệ thống đo khí tượng: hệ thông bóngthám không vô tuyến và hệ thống định vị vệ tỉnh GPS với lý do như sau:

Thám không vô tuyến tại Việt Nam chỉ có 3 trạm Hà Nội, Da Nang và Tp.HồChí Minh Tuy nhiên, trạm thám không vô tuyến Tân Sơn Hòa Tp.HCM được đặttrong khuông viên trường Dai Hoc Tài Nguyên Môi Trường Tp.HCM, vi vậy việc tiếpcận, quan sát các thiết bi cũng như nguôn dữ liệu của bóng thám không tương đối đơngiản Nguồn dữ liệu hai tram thả bóng thám không ở Hà Nội và Da Nẵng cũng nhưnguồn dữ liệu của các hệ thống đo khí tượng khác rất khó tiếp cận do tính bảo mật

Bên cạnh đó việc mượn may thu GPS 2 tần số của Bộ môn Địa Tin Học củatrường Đại Học Bách Khoa thuận tiện VỊ trí chọn điểm khảo sát dữ liệu thực địa củaGPS tương đối dễ, gần với trạm thả bóng, thuận lợi cho việc giám sát giữa hai hệthống

Trong đề tài luận văn này, học viên tập trung vào việc xác định hệ số hơi nướcPWV tính từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến và từ dữ liệu GPS Việc xác định hệsố hơi nước tích tụ PWV từ dữ liệu thám không vô tuyến thông qua các hệ số nhiệtđộ, độ âm, áp suất và từ dir liệu đo GPS, so sánh độ lệch của hệ số PWV giữa hai hệthống trên Từ kết quả nhận được sẽ cho chúng ta kết luận tốt hơn về việc có thể sửdụng hệ thống định vị vệ tỉnh GPS để giám sát các yếu tố khí tượng dùng trong lĩnhvực dự báo thời tiết, qua đó có thể mở ra khả năng hợp tác giữa hai lĩnh vực Trắc địa -Bản đồ và Khí tượng - Thủy văn trong việc nghiên cứu xác định độ âm không khítrong tầng đối lưu Đây cũng chính là hướng tiếp cận mà nội dung đề cương luận văn

này muôn trình bày.

Trang 8 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

1.3 MỤC DICH, DOI TUONG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiéu nghiên cứu

Đề tài này sẽ xoay quanh vấn đề thu thập số liệu từ hai nguồn dữ liệu bóng thámkhông vô tuyến và GPS, sau đó dựa vào thuật toán của Y Liu [10] cùng thuật toáncủa Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (National Weather ServiceWeather Forecast Office) [17] dé tính hệ số hơi nước PWV của bóng thám không , vàthuật toán tính hệ số PWV từ dữ liệu do GPS, từ đó so sánh độ lệch giữa hai hệ thốngnay thông qua chỉ số hơi nước tích tụ PWV Dựa vào kết quả này dé có thé đưa ra kếtluận việc b6 sung thêm một phương pháp mới trong lĩnh vực khí tượng dé dự báo thờitiết

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.Số liệu thu thập trực tiếp ngoài thực địa của hệ thống định vị vệ tỉnh GPS và sốliệu quan trắc khí tượng của bóng thám không vô tuyến tại trạm Tân Sơn Hòa -

Tp.HCM trong 2 dot:

e Dot 1: từ ngày 16/01/2013 đến ngày 17/01/2013e Đợt 2: từ ngày 18/09/2013 đến ngày 20/09/2013Song song với việc đo dữ liệu GPS, phải chọn thời điểm trùng với thời gian thảbóng thám không vô tuyến, sao cho thời gian GPS chứa thời gian bắt đầu thả bóngđến khi thời gian kết thúc của bóng trong khí quyền (bóng nổ)

Tính chỉ số hơi nước tích tụ (PWV) dựa vào thuật toán của Y Liu [10]; thuậttoán của Văn phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (National Weather Service

Weather Forecast Office) [17] thông qua dữ liệu thu thập từ bóng thám không tạitrạm Tan Sơn Hòa Tp.HCM.

Tinh chi số hơi nước tích tụ (PWV) dựa vào các số liệu thu thập trực tiếp ngoàithực địa từ máy thu GPS 2 tần số của Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM trong 2 đợtđược đặt gần vị trí thả bóng thám không dé yếu tố khí quyền không thay đổi

Trang 9 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIEN1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Hướng đề tài sẽ mở ra hướng mới trong lĩnh vực Khí tượng - Thủy văn, gópphan vao việc dự đoán thời tiết băng hệ thống định vị GPS bên cạnh phương pháptruyền thống sử dụng bóng thám không vô tuyến Ngoài ra, đề tài sẽ là động lực chocác quá trình mở rộng thêm các ý tưởng liên quan sau này về lĩnh vực khí tượng bangviệc sử dụng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS

Mặt khác, nội dung dé tài nay có thé đóng góp vào danh mục các tài liệu thamkhảo chuyên ngành cho lĩnh vực Trắc địa và khí tượng thủy văn

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễnKết quả khả quan của đề tài này sẽ góp phần vào việc ứng dụng hệ thống định vịGPS vào các lĩnh vực khác như ngành khí tượng, thủy văn Đồng thời có thé kết hợpgiữa công nghệ truyền thông đo chỉ số hơi nước PWV bằng phương pháp bóng thámkhông vô tuyến và công nghệ hiện dai bằng định vị vệ tinh GPS

Trong lĩnh vực dự báo thời tiết, sử dụng phương pháp định vị vệ tỉnh GPS sẽ tiếtkiệm được nhiều chỉ phí, kinh phí đầu tư chỉ có có 01 lần

Sử dụng phương pháp định vị vệ tinh GPS sẽ cung cấp cho ta số liệu liên tục bấtkế ngày đêm, bat kế điều kiện thời tiết xấu

Tóm lại, bên cạnh ý nghĩa khoa học còn có ý nghĩa thực tiễn, vì vậy việc khảo

sát chỉ số hơi nước tích tụ PWV băng cả công nghệ truyền thống lẫn hiện đại là cầnthiết Từ đó so sánh kết quả nhận được từ hai phương pháp trên, làm căn cứ để xemxét và đề xuất việc ứng dụng công nghệ định vị GPS vào trong lĩnh vực khí tượngthủy văn và dự báo thời tiết

Trang 10 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

CHUONG 2

TONG QUAN

Trang II HV: HUYNH NGUYEN ĐỊNH QUỐC

2.1 SỨ DUNG BONG THÁM KHONG VÔ TUYEN TRONG LĨNH VỰC KHÍ

TƯỢNG TẠI VIỆT NAM

Khí tượng học là ngành khoa học nghiên cứu về khí quyền nhằm chủ yếu dé theodõi và dự báo thời tiết Những biểu hiện thời tiết là những sự kiện thời tiết quan sátđược và giải thích được bang khí tượng hoc Những sự kiện đó phụ thuộc vào cáctham số của khí quyển Trái Dat Các tham số nay bao gém nhiệt độ, áp suất, độâm cũng như các biến thiên và tác động tương hỗ của các tham số này và nhữngbiến đổi theo thời gian và không gian của chúng Phần lớn các quan sát về thời tiếtđược theo dõi ở tang đối lưu

Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) số liệu quan trac qua hệ thống thámkhông vô tuyến được xem là chính xác và 6n định nhất so với hệ thống đo đạc khí

tượng hiện có Các thông tin về nhiệt độ, độ âm, áp suất, hướng gió, tốc độ gid ma

trạm thám không đo được không chỉ phục vu dự báo thời tiết Đó còn là số liệu đầuvào quan trọng cho ngành hàng không và đánh giá mức độ ô nhiễm trong không khí.Hiện nay, mạng lưới bóng thám không ở Việt Nam gồm 5 trạm thường trực: ĐiệnBiên, Hà Nội, Vinh, Đà Nang va TP Hồ Chi Minh Tuy nhiên trong Š trạm này chỉ

còn 3 trạm vẫn hoạt động thường xuyên liên tục thả 2 lần/ngày là Hà Nội, Đà Nẵng

và TP Hồ Chí Minh, 2 trạm còn lại chỉ thả khi có nhu cầu khảo sát về sự thay đôi khíhậu do chuyên viên của Khí Tượng Thủy Văn yêu cầu mới thả Nhà nước có chủ

trương sẽ xây dựng thêm 3 trạm đặt tại đảo Bạch Long Vĩ, Nha Trang và Cà Mau.

Hiện toàn bộ số liệu của các trạm thám không vô tuyến đều được truyền trực tiếp vềTrung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương Từ đây, số liệu được phân tích,xử ly rồi đưa lại các Đài Khí tượng Thủy văn các khu vực để phục vụ dự báo tác

nghiệp.

Với kinh phí hoạt động được đầu tư lớn, chi phi cho một lần thả bóng quan trackhoảng 10 triệu đồng Với bán kính đo phủ 250-300km trên đất liền và 300-500kmtrên biển, hệ thống 8 tram bóng thám không trong tương lai sẽ đáp ứng cơ bản yêucầu Khi đó, các trạm tại Hà Nội, Điện Biên, Vinh, Bạch Long Vi cùng số liệu từ tramHải Nam (Trung Quốc) sẽ tạo thành một mạng lưới ở miền Bắc; miền Trung có ĐàNẵng và Nha Trang, miền Nam có TP Hồ Chí Minh, Cà Mau Cùng với 12 trạm đo

Trang 12 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

gió, hệ thống nay dam bảo cung cấp các số liệu trên không Nhu vay, hệ thống quantrắc khí tượng băng bóng thám không ở Việt Nam tương đối đáp ứng nhu cau về khítượng thời tiết Tuy nhiên, việc vận hành hệ thống này vẫn tốn nhiều kinh phí.

Hiện nay, có nhiều tác giả đã và đang quan tâm đến lĩnh vực khai thác kỹ thuậtmới sử dụng hệ thống định vị vệ tỉnh GPS ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng thủyvăn Đây là hướng tiềm năng mở ra một thiết bị mới, một phương pháp mới cung cấphệ số hơi nước tích tụ PWV bên cạnh việc sử dụng hệ thống bóng thám không vôtuyến và các hệ thống đo khí tượng khác

2.2 TONG QUAN VE TINH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giớiBên cạnh việc sử dụng hệ thống bóng thám không đo đạc hệ số hơi nước tích tụPWV dùng để dự báo thời tiết trong lĩnh vực khí tượng, thì việc sử dụng hệ thốngđịnh vị GPS đo độ trễ tín hiệu tầng đối lưu dé tính ra hệ số PWV cũng được quan tâm

tại nhiều nước trên thê giới hiện nay.

Theo tài liệu [10], việc xác định hệ số hơi nước PWV là một trong những đốitượng cơ bản của GPS về khí tượng Hệ số PWV được tính toán từ dữ liệu bóng thámkhông được dùng làm số liệu gốc để tham khảo đến hệ số PWV từ GPS Vậy thì sai sốcủa PWV từ bóng thám không là bao nhiêu để làm giá trị tham khảo Trong bài báonay, tác gia đã phân tích hai nguồn sai số trong việc xác định hệ số PWV khi sử dụngdữ liệu 50 ngày của bóng thám không ở Hồng Kông Tác giả ước tính sai số xấp xi+0.5mm và sai số tính toán PWV là + 7.2mm Sai số tông cộng của hệ số PWV từ dữ

liệu bóng thám không khoảng + /.3mm Vì vậy, sai số Opyy =+1.3mm trong nghiên cứunay cho ta một khả năng dé đánh giá sai số PWV thu được từ GPS trong hoạt động đo đạc

khí tượng băng GPS.

Theo [11], so sánh giữa hai kết quả PWV nhận được từ dữ liệu bóng thámkhông và từ mạng lưới GPS ở An Độ, thì sai số chỉ có 2mm Kết hợp giữa bóngthám không va GPS cho sai số từ 0.7+ 3 mm với độ lệch chuẩn 2.42 4.5 mm, qua đógóp phan lớn trong việc ước tính hệ số PWV cho bóng thám không thé hiện ở bảng

Trang 13 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

2.1 Điều này cũng nói lên việc sử dung hệ thống định vị vệ tinh GPS để tính toánhệ số PWV cho kết quả đáng tin cậy.

GPS PWV UsingInterpoated andGPS PWV Using Two

Technigues, mm

MeteorologicalParameters, mm

GPS PWV andRadiosonde PWNCEP PWV and GPSSite Bias SD Bias SD Bras SD Bias SD

AIWL —().03 oO! 3 4.0

BAHR —.24 0.14 ~02 0.3 A Jee —2.5 3.0

HHOP —0 O01 ol —3 23 03 £0BHUB —0.08 0.2 = 40 3.2 $0

BOMD ~030 0.1 —2.6 3.0CSOS 0.40 0.12 0.04 03 28 3.4GBPK ~0 |$ 02 28 sú

GBSK 0.5 0.2 cực 3.0GHTL 0.9 05 _22 3.5 19.0 8.0HY DE —0.2 0| —0.7 40 2.0 $.0

LAOH 0.35 0.08 ~0.03 0.6 a see" —2.1 1.7

1ISC 0.13 0.06 0.3 0.2 ( —0.7 ) ( 45 2.0 4.0IMPH ~003 01 ote 2.0 4.0IBPR 0 0$ 02 34 $0KIT3 —02 03 3.6 3.0

KODI 1.26 0.15 0.2 0.2 21 21

KUNM 0.3 0.2 0.4 2.0

LHAS 0.62 0,10 —15 0.6 Si sie —3.3 3.0LUCK ~ấñ 03 —2( 36 $6 7hLUMA 0.3 0.2 1.7 40MALD —0.2 01 6.9 7.0POL2 0.2 0.3 5 2.$

PUNE ~03 0.1 —1.0 45

RSCL 1.2 0.2 $0 3.0SELE 0.4 0.2 2,2 3.0

TVM —0.03 0.1 0 6.0TZPR 0$ 04 20.0 &.0WIH2 1.8 0.6 11.0 9.0

Bang 2.1: Bang so sánh sai số và độ lệch chuẩn giữa các phương pháp GPS, bóng

thám không (tham khảo từ [IT]).

Theo [12], tác giả bài báo nghiên cứu hơi nước tai Westford - Mỹ, được thiết kếdé đo sự thay đôi của tong hơi nước ngưng tụ theo không gian và thời gian bang cácphương pháp khác nhau như dùng máy thám không được thả từ 2 đến 3 lần trên ngảy,máy đo bức xạ hơi nước (Water vapor Radiometer) và 11 máy thu GPS được bồ tri

trên một vùng có bán kính 25 km quanh trạm đo Haystack ở Westford, MA Sử dụng

kết quả của việc do hơi nước tích tụ bang bóng thám không tại tram Haystack để sosánh với những kết quả các phương pháp khác xác định hơi nước từ vị trí gần với vịtrí trạm đo bóng thám không có sai số khoảng /-5 mm Nguồn gốc sai số trên là do cósự khác biệt về vị trí địa lý và thuật toán xử lý Sự khác nhau trong việc xác định hệsố PWV từ GPS phụ thuộc vào độ cao, không liên quan đến loại anten và máy thuGPS, phù hợp với những ảnh hưởng của sự tán xạ bể mặt trong các phép đo trắc địaGPS và chỉ ra rằng việc nâng anten GPS nên được xem xét trong việc thiết kế các hệthống khảo sát chỉ số hơi nước dựa vào GPS

Trang 14 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Trong bai báo [12], tác giả so sánh giữa bóng thám không, phóng xa kế hơi nước

(water vapor radiometer), giao thoa đường day dài (very long baseline interferometry(VLBI)), va GPS Trong đó, gia trị chênh lệch trung bình giữa bóng thám không va

GPS là 2mm với độ lệch chuẩn là 2mm như bảng 2.2 Dựa vào kết quả trên, hệ sốPWV tính từ bóng thám không và từ GPS gần như tương đương nhau Điều đó chứngtỏ GPS có thể dùng để đo các tham số khí tượng chính xác như các hệ thống đo khí

tượng khác.

Ave Diff In | Std Dev In Diff.ZWD (mm) Of ZWD (mm)WVR - GPS 6(1 PWV) 9 (1.5 PWV)GPS - Radiosonde

WVR - Radiosonde 18 (3 PWV) 13 2 PWV)VLBI - GPS 8 (1.5 PWV) 10 (1.5 PWV)VLBI - WVR 3 (0.5 PWV) 9 (1.5 PWV)VLBI - Radiosonde 24(PWV) II(2PWV)

Bảng 2.2: Giá trị chênh lệch trung bình và độ lệch chuẩn trong ước tính PWV từbóng thám không, phóng xạ kế hơi nước (water vapor radiosonde), giao thoa đường

đáy dài (VLBD, va GPS (tham khảo từ [12]).

Theo bai báo [22], tác giả đã chọn ba tram GPS ở gan trạm thám không là các

trạm SKCH, JEJU và SUWN và hai trạm IGS là SUWN và DAEJ tại Hàn Quốc Việc

lựa chọn số trạm GPS hạn chế do phải xét khoảng cách ngang giữa các trạm GPS vàtrạm bóng thám không Giá trị PWV nhận được từ GPS phù hợp với sản phẩm IGScung cấp là -0.27mm và độ lệch chuẩn là 0.78mm Tác giả so sánh gia tri PWV từ dữ

liệu của 3 trạm GPS với dữ liệu bóng thám không có độ lệch dao động trong khoảng

từ 1.06mm — 1.86mm, độ lệch trung bình khoảng 1.5mm với độ lệch chuẩn là

2.45mm.

Trang 15 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Gan day nhất là bai báo [13] so sánh hệ số hơi nước PWV giữa bóng thám khôngvà GPS của nhóm đồng tác giả Kazutoshi Sato, Toshitaka Tsuda, Susilo, và TimbulManik Nhóm tác giả đã tiễn hành thử nghiệm sử dụng bốn máy thu GPS khảo sát gầnJakarta, Indonesia, từ ngày 27 tháng 7 đến ngày 1 tháng 8 năm 2010 Bên cạnh đó,việc thả bóng cũng thực hiện trong khoảng thời gian đo GPS Hệ số PWV tính từ GPStại bốn trạm thường cho kết quả ôn định với độ lệch trong khoảng 5-10mm Hệ sốPWV từ GPS có kết quả rất phù hop rất tốt với hệ số PWV khi tính từ radiosonde.Lượng mưa xảy ra nghiêm trọng vào ngày 28 tháng 7, trùng hợp với sự thay đổi giá

tri của GPS-PWV như hình 2.1.

4 —““

ros ‘> oe -ø ˆ:'.®@ |

= í -.ˆE 'ìval | ‘ |

Hình 2.1: Biéu đỗ so sánh hệ số PWV giữa 4 tram GPS với bóng thám không ở

Jakarta, Indonesia [13] và lượng mưa trong ngày 28/72.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo tài liệu tham khảo [2], hệ số PWV được xác định bằng hai phương phápđộc lập, phương pháp xử lý tuyệt đối (một trạm đo, không thời gian thực) và phương

Trang 16 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

pháp xử ly tương đối (hai trạm đo, thời gian thực với giới han chiều dải cạnh day từ100 - 200km) được xử lý băng phần mềm GUST (Nguyễn Ngọc Lâu) dựa vào số liệuGPS của lưới Châu Á — Thái Bình Dương tại Việt Nam Kết quả nhận được tương đốiphù hợp với kết quả thu được từ ảnh vệ tinh MODIS từ 3 - 5cm Đồng thời giá triPWV cũng phù hợp với kết quả tính được từ số liệu các trạm đo IGS trong khoảng

lcm.

Bên cạnh đó, bai báo [5] cũng cho thay việc ứng dung GPS xác định PWV taiViệt Nam, tác giả cũng xử lý một baseline dài khoảng 933km nằm giữa một trạm IGSWUHN tại Vũ Hán và trạm DONI bang phần mềm GUST Kết quả PWV tại trạmDONI được thé hiện qua hình sau:

Precipitabie V2ater Vapour al station DON1

\

: ) hị2, ` t-4 ' “f

fh \ H y } " nesài ee ety! 1 4

Hình 2.2: Kết qua PWV tai trạm DON1 được thé hiện trong [5]

Két qua hé số PWV từ thực nghiệm do GPS cũng tương tự như hệ số PWV từ

việc đo các hệ số áp suất, độ âm, nhiệt độ tại trạm DONI Từ đó sẽ mở ra khả nănghợp tác giữa hai lĩnh vực Trắc địa và Khí tượng trong việc nghiên cứu xác định độ âmkhông khí trong tầng đối lưu nhờ dữ liệu đo GPS

Trang 17 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Theo bai báo [8], tác giả cho thấy việc xác định độ trễ đối lưu từ trị đo pha GPSbằng hai phương pháp: định vị tuyệt đối và định vị tương đối Tuy nhiên, tác giả cũngsử dụng phương pháp định vị tuyệt đối vì mô hình đơn giản hơn phương pháp định vịtương đối do có số an và số trị đo ít hơn Ngoài ra, tác giả đã cho thấy rõ hơn việc xácđịnh hệ số PWV từ hệ thống định vị vệ tinh GPS băng phương pháp định vị tuyệt đốicó ưu, khuyết điểm như sau:

- Uu điểm: Chỉ cần 1 máy thu nên sẽ cho kết quả tuyệt đối Song song đó, việcsử dụng sản phẩm của tô chức IGS cung cấp chính xác tọa độ vệ tinh và sai số đồnghồ vệ tinh Phương trình có số lượng an ít việc giải nghiệm đơn giản hơn phươngpháp tương đối Ngoài ra, hàm ánh xạ chuyên đổi từ độ trễ đối lưu bất kỳ sang độ trễđối lưu thiện đỉnh cho kết quả chính xác

- Khuyết điểm: Không loại trừ được sai số đồng hỗ vệ tinh và ảnh hưởng của quỹđạo nhiễu Mặt khác không giải được tham số đa trị

Vì vậy để khắc phục nhược điểm của phương pháp tuyệt đối, học viên sử dụngphương pháp hiệu đơn giữa hai vệ tinh và một máy thu dé loại bỏ sai số đồng hồ máythu; sử dụng phương pháp trị đo ZL; để loại bỏ ảnh hưởng của tang điện ly; ngoài racòn sử dụng bộ loc Kalman Filter làm thuật toán xác định độ trễ đối lưu

Tác giả sử dụng chương trình tính PWV để chạy tập dữ liệu đo GPS của manglưới Châu A — Thái Bình Duong từ ngày 23 đến 29/9/2007 được kết quả như hình 2.3

Hình 2.3 PWV tại trạm đo NTO1, N00, QT01 và Kunm

Trang 18 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Gia tri PWV tại 3 trạm do NT0I1, N00, QTO1 tương đối đồng dạng Tuy nhiêntrong ngày 23, 24-09-2007 giá trị PWV của trạm NT01 và N00 tăng đột biến do anhhưởng của cơn bão ảnh hưởng đến các trạm làm cho độ âm tăng cao, điều này phù

hợp với giá trị PWV.

Qua các bài báo trong và ngoài nước cho thay việc sử dụng hệ thống định vị vệtinh GPS dé xác định hệ số PWV có kết quả gần tương đồng với việc đo các thông sốtừ khí tượng dé tính ra hệ số hơi nước PWV Vì vay, trong dé tài luận văn này họcviên sẽ trình bày về việc thu thập dữ liệu các hệ số khí tượng bằng phương pháp bóngthám không tại trạm cao không Tân Sơn Hòa, Tp.HCM và việc tính toán hệ số PWVtừ các tri đo khí tượng thu được Bên cạnh đó, phương pháp định vi tuyệt đối được sửdụng dé tính toán hệ số PWV từ dữ liệu thu thập ngoài thực địa của hệ thống định vịvệ tỉnh GPS trong 2 đợt bằng máy thu GPS 2 tần số của trường ĐH Bách Khoa

Tp.HCM từ đó so sánh kết quả của hệ số hơi nước PWV nhận được từ hai hệ thống

Đây cũng là hướng của đê tài luận văn thực hiện.

Trang 19 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

CHƯƠNG 3

KIEN THUC CƠ SỞ

Trang20 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Như đã trình bày ở chương 1, lượng hơi nước tích tu (Precipitable water vapor

-PWV) trong khí quyền rất cần thiết trong công tác dự báo thời tiết PWV chính là độcao của cột chất lỏng thang đứng tương đương với toàn bộ lượng hơi nước có thể tíchtụ được trong cột tại một điểm trên bề mặt Trái Đất Vì vay, PWV đóng một vai tròquan trọng trong động lực học khí quyền Hiện nay, có nhiều phương pháp để khảosát hệ số PWV như sử dụng bóng thám không, phóng xạ kế hơi nước, giao thoa đườngđáy dài (VLBI), GPS Trong dé tài luận văn này học viên thực hiện giải quyết cácvẫn đề sau:

e Khảo sát hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến.e Khao sát hệ số PWV từ đữ liệu GPS

e© So sánh kết quả PWV nhận được từ hai hệ thống trên, từ đó có liên hệ vớiđiều kiện khí hậu thực tế tại thời điểm khảo sát

Trong chương kiến thức cơ sở, học viên sẽ trình bày sơ lược về hệ thống bóngthám không vô tuyến Qua đó, sẽ trình bay chỉ tiết về thuật toán xác định hệ số PWVtừ dữ liệu bóng thám không vô tuyến Bên cạnh đó sẽ tiếp tục trình bày về thuật toántính hệ số PWV từ dữ liệu GPS, đồng thời so sánh giữa hai kết quả PWV nhận được

3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VE BONG THÁM KHÔNG VÔ TUYỂN3.1.1 Khái niệm bóng thám không vô tuyễn

Là thiết bị thám không vô tuyến đo đạc các yếu tô khí tượng nhiệt độ, độ âmtương đối, áp suất, gió (hướng gió và tốc độ gió) của khí quyền theo độ cao lên tới30km Dé mang thiết bị thám không vô tuyến lên cao trong bầu khí quyền phải sửdụng một quả bóng, được gọi là bóng thời tiết Trong quá trình bóng bay lên trong khíquyền, thiết bị thám không vô tuyến vừa thu nhận các yếu tố khí tượng vừa truyền cácthông số nhận được xuống trạm thu dữ liệu tại mặt đất bằng sóng điện từ ở tần số 409

MHz hoặc 1680 MHz.

Bóng thám không vô tuyến lần đầu tiên được sử dung bởi Cục Thời Tiết Mỹ vào

năm 1936 Trong năm đó, một mạng lưới các trạm thả bóng thám không đã được hình

Trang21 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUỐC

thành để thay thế cho các chương trình đo bằng phi cơ và được thả thường xuyên 4lần trong ngày (Oh, 6h, 12h, 18h theo UTC) để khảo sát các yếu tô của khí quyền.

Bóng thám không bao gồm 2 phan chính cấu thành: thành phần thiết bi mang(bóng thời tiết) và thành phan thiết bị thu nhận và truyền dữ liệu của thám không vôtuyến được thé hiện như hình 3.1

Hình 3.1: Thanh phần của bóng thám không ở đài khí tượng cao không Tân Son

Hòa (TP.HCM)

3.1.2 Bóng thời tiếtBóng thời tiết được ché tạo bang cao su nhân tạo hoặc cao su tự nhiên Tinhchất chủ yếu của bóng thời tiết là phải có tính co dan, dan hồi Khi bơm căng cũng

như khi khí áp bên ngoài giảm trong quá trình bóng bay lên thì vỏ bóng phải dan nở

đều và tự do Đồng thời vỏ bóng phải khá bền để không lọt khí ra ngoài Trọng lượngcủa quả bóng phải nhỏ, chịu đựng lạnh, ôzôn, bức xạ cực tím Những tính chất đó

phải được duy trì trong thời gian dài khi bóng bay.

Tùy theo trọng lượng của bóng mà bóng có thể bay cao hay bay thấp Thôngthường trọng lượng bóng khi bơm khí là 1.5kg đến 1.7kg Bóng thường vỡ ở độ caotừ 22km đến 35km

Trang 22 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUỐC

Bóng được bảo quản trong hộp, đặt trong buồng mát có nhiệt độ khoảng 20 25°C, độ âm không được thấp dưới 70%, trong phòng không có axit, kiềm, dầu hoặcxăng, không xếp chồng lên nhau Thời han sử dung 1 năm.

-Hình 3.2 thể hiện quá trình bơm khí Hydro vào bóng tại trạm Tân Sơn Tp.HCM quá trình này chỉ được thực hiện trước khi thả bóng khoảng 10 phút, đểtránh trường hợp vỏ bóng sẽ bị biến dạng khi tiếp xúc với nhiệt độ bên ngoài Quảbóng được bơm căng tròn đến trọng lượng quy định, không được bơm quá căng cũngnhư quá non, khi thả bóng sẽ không đạt được độ cao cần thiết Vì vậy, khi bơm bóngphải chú trọng đến vẫn dé trọng lượng bóng

Hòa-ae | eHòa-ae[AVY

dụng phố biến hơn Tuy nhiên, giá thành của khí Hydro thấp nhưng quá trình điều chếkhí Hydro từ việc điện phân nước rat phức tap, dé gây cháy nô khi có tia lửa nhỏ Vivậy, phải xây dựng một trạm dùng để điều chế Hydro riêng, không dùng chung chocác thiết bị quan trắc khác.

Hình 3.3: Thiết bi dùng để điện phân nước và bồn chứa khí Hidro.3.1.3 Thiết bị thám không vô tuyễn

Thiết bị thám không vô tuyến là sản phẩm của công ty Finnish, đặt trụ sở tạiPhần Lan, chuyên sản xuất và cung cấp các loại thiết bị phục vụ cho đo lường môitrường, đặc biệt là đo thời tiết Thiết bị thám không vô tuyến là một thiết bị nhỏ buộcvào một bong bóng thời tiết Thiết bị thám không vô tuyến sẽ đo các yếu tố khí tượngcủa khí quyền theo chiều dọc trong quá trình bóng thời tiết bay lên Trong quá trìnhbóng thời tiết bay lên cho đến khi bóng né thì thiết bị thám không vô tuyến sẽ truyềndữ liệu do được liên tục về máy thu ở mặt đất với tốc độ thăng được cai đặt cố địnhtrong thiết bị thám không vô tuyến khoảng 5m/s

Thiết bị thám không vô tuyến đo các yếu tổ khí tượng: áp suất khí quyén, nhiệtđộ không khí, nhiệt độ điểm sương, độ âm tương đối và tốc độ gió, hướng gid Ngoàira, thiết bị thám không vô tuyến có thể được trang bi cảm biến ôzôn và bức xạ cực

tím.

Trang 24 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Thiết bị thắm không vô tuyển gom có các bộ phận cấu thành nên:

- Cac dau đo cảm biên với môi trường và đo các yêu tô khí tượng.- Bộ phận biên năng chuyên đôi các giá tri đo được của dau đo thành tín hiệu vô

tuyến

- Máy phát vô tuyến: phát tín hiệu vô tuyến về mặt đất ở tần số 409 MHz hoặc1680 MHz và cả hai loại có thé được điều chỉnh cao hơn hoặc thấp hon theo yêu cầucụ thể

Hình 3.4: Câu tạo của thiết bị thám không vô tuyến.Các bộ phận trong thiết bị thám không vô tuyến gồm:

1: thiét bi thu GPS2: Hộp dựng pin dùng dé duy tri hoạt động của thám không vô tuyến.3: Bộ phận cảm biến áp suất

4: Anten định hướng của thiết bị thám không vô tuyến

5:678

Bo phan cam biến nhiệt độ: Bộ phận cảm biến độ âm: Bộ phận cảm biến đứt gãy (sự thay đối đột ngột của nhiệt độ)

: Dia chỉ nơi tha bóng thám không

Trang 25 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Trong quá trình bóng thời tiết bay lên, thiết bị thám không vô tuyến vừa thu nhậncác yếu tô khí tượng, đồng thời máy thám không dựa vào thiết bị thu GPS (1) đo độlệch Doppler từ các vệ tinh, tất cả các giá trị đo được sẽ chuyển thành tín hiệu điện từtruyền về bộ xử lý thông qua anten hình nam, anten GPS thu nhận tín hiệu dưới mặtđất Bộ xử lý sẽ cho kết quả đo gió (tốc độ và hướng gió), độ âm, áp suất, nhiệt độ và

(6).

Bóng thám không vô tuyến được thả đồng thời trên khoảng 900 địa điểm trêntoàn thế giới, mỗi ngày thả 4 lần (0h00; 6h00; 12h00 và 18h00 theo UTC), tuy nhiênnếu trong điều kiện không cần thiết thì chỉ cần thả lúc 00h00UTC và lúc 12h00UTC,được thả mỗi ngày trong năm Tuy nhiên, có thể tăng số lượng thả bóng hơn 2 lần

Trang 26 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

trong một ngày khi có yêu cầu của các nhà khí tượng học dé tăng thêm dữ liệu khảosát khi có sự thay đổi lớn trong bầu khí quyển Trong đó bao gồm 92 địa điểm thabóng bởi dịch vu thời tiết quốc gia (National Weather Service) ở Mỹ và một số vùng

lãnh thô của nó.

Khi quả bóng thời tiết nỗ thì ngay tại mặt đất cũng sẽ nhận được tín hiệu ngay tại

vi tri đó, đồng thời tín hiệu tự động sẽ ngắt, không truyền tín hiệu về trạm mặt đất

nữa Đề đảm bảo cho thiết bị thám không vô tuyến khi rơi từ độ cao hơn 20km xuốngkhông gây nguy hại thì nhà sản xuất thiết kế thêm một chiếc dù nhỏ được gan vàothiết bị thám không vô tuyến, cho phép khi bóng nỗ sẽ giúp cho thiết bị thám khôngvô tuyến giảm áp lực rơi xuống đất với tốc độ khoảng 22mph (khoảng 10m/s) đượcthé hiện ở hình 3.6 Trong mỗi thiết bị thám không vô tuyến chứa một chiếc túi nhỏdùng để gửi thư và hướng dẫn cách để người dân gửi về nơi đã thả bóng khi nhặt được(bộ phận thứ 8 trong hình 3.4 trên) Vì vậy, ở Mỹ mỗi năm có khoảng 20% trong tongsố 75.000 thiết bị thám không vô tuyến được gửi trả về lại, các thiết bị được tái sửdụng, nhằm tiết kiệm chi phí của quốc gia

Qua tìm hiểu sơ lược về bóng thám không vô tuyến cho thấy khi thả bóng thám

không vô tuyến sẽ thu được các yếu tố khí tượng như nhiệt do, độ âm, áp suất, độ cao,

hướng gió và tốc độ gió tại từng thời điểm trong quá trình bóng bay lên trong khí

quyền Thuật toán xác định hệ số PWV từ dữ liệu bóng thám không vô tuyến sẽ dựa

vào các hệ số khí tượng nhận được trên từng lớp độ cao Tiếp theo, học viên sẽ trìnhbày thuật toán tính hệ số PWV từ bóng thám không vô tuyến

3.2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH HE SO HƠI NƯỚC PWV TU DU LIEUBONG THAM KHONG VO TUYEN

Hệ số PWV là lượng hơi nước tại một điểm trên bề mặt trai đất được biểu diễn làđộ cao của một cột chất lỏng tương đương Bóng thời tiết mang theo thiết bị thámkhông vô tuyến di chuyển qua từng lớp độ cao không khí Trong quá trình di chuyển,thiết bị khảo sát các yếu tô khí tượng tai từng lớp độ cao Vì vậy, nếu tính giá trị PWVtrên từng lớp độ cao, sau đó lay tong tat cả giá trị PWV trên từng lớp độ cao sẽ đượcgiá tri PWV Thuật toán tính hệ số PWV của Y Liu [10] va cua Van phong Dich vuDự báo Thời tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17] cũngthành lập dựa trên nguyên tắc đó

3.2.1 Thuật toán xác định hệ số PWV của Y Liu [10]Theo Y Liu [10] đã đưa ra các công thức tính toán hệ số hơi nước PWV từ bóngthám không vô tuyến dựa vào các yếu tô khí tượng như nhiệt độ, độ âm tương đối, độcao tại từng lớp độ cao Hệ số PWV thu được bằng cách tích tụ hơi nước mật độ theohướng thăng đứng Thiết bị thám không quan sát các yếu tố, bao gồm áp suất, nhiệt độvà độ âm tương đối thực hiện ở những độ cao khác nhau khi bóng thời tiết di chuyển.Những tính toán riêng được chuyển đôi thành mật độ hơi nước va giá tri PWV là sựtích hợp các giá trị nhận được trên cùng một chiều cao Hơi nước tích tụ (TWV) dọctheo đường di chuyển của bóng thám không vô tuyến được tính theo công thức sau

[10]:

IWV =f 2,.dh (3.1)Trong đó z2 : mật độ hoi nước

Trang 28 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

h: độ cao theo phương thăng đứng của tầng đối lưuHệ số IWV có thé tính thông qua hệ số PWV [10]:

T: nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)

ey áp suất hơi bão hòa (hPa)Áp suất hơi nước bão hòa có thé tính toán từ nhiệt độ và độ âm tương đối Nhiềucông thức đã được phát triển cho việc chuyển đổi này Công thức kinh nghiệm sau

đây được sử dụng [10]:

e, = RH.exp(—37, 2465 + 0,213166.7 — 2,56908.10°7”) (4.4)với RH: độ âm tương đối (%)

T: nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)

Áp suất hơi nước tính được rời rạc từ dữ liệu thám không vô tuyến dựa vào nhiệtđộ và độ âm tương đối nhận được ở những độ cao khác nhau, gây ra một sự tách biệtcủa khí quyền tạo thành nhiều lớp Giả sử mật độ hơi nước bién đổi tuyến tính trongmỗi lớp, phương trình (3.2) có thé được xấp xi băng:

| | |

Trong đó: hj+; và h; là độ cao đỉnh va đáy của mdi lớp độ cao.

p : hăng sô mật độ hơi nước

Trang 29 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

Các yếu tố độ cao, độ âm tương đối, nhiệt độ từ các phương trình sẽ lay từ filedữ liệu của bóng thám không vô tuyến theo bang 3.1:

Pressure 1009610096 02Temperature: 322 323 -0.1

Humidity 0 0 0

Telemetry noise level - 100 %

Độ cao cua bóng

P T UAccepted (%): 920 920 1000Replaced (%): 8.

Rejected (%)- 0

0 Ap suất không khí

0 090Reason for terminati Increasing prNhiệt độ khong khí

Radiosonde buzét ot

„_.- Độ ẩm tương doi

0 0 5 1010.4 258 23.2T U0 52 211 987.1 23.5 21.9T

1 30 376 9686 248 A 19.3TU

624 1850 816.8 14.0 91 126TU654 2006 801.9 15.2 38 09TU76 2072 795.6 154 39 16TU

738 2233 780.7 17.5 13 -114TU

1022 3153 700.2 13.1 9 -18.5T1258 4032 629.7 6.0 15 -18.6T1714 5406 5311 -1.0 3 -4121T

1948 6248 4774 -7.5 6 -395TU

2022 6424 466.7 -78 2 476 U2252 7228 4204 128 6 43.6T23 6 7306 416.1 -123 4 -476T2736 8703 3454 -21.1 3 -55 3T U

4 61.0 U

3216 10069 2858 -325

Bảng 3.1: Bảng các tham số khí tượng nhận được từ bóng thám không vô tuyến.Thuật toán để tính hệ số PWV của Y Liu [10] đưa ra dựa trên các yếu tố khítượng nhận được từ bóng thám không vô tuyến, ngoài thuật toán trên, Văn phòngDịch vu Dự báo Thời tiết Quốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17]cũng đưa ra thuật toán tính hệ số PWV dựa vào các yếu tô khí tượng

Trang 30 HV: HUỲNH NGUYÊN ĐỊNH QUOC

3.2.2 Thuật toán xác định hệ số PWV của Văn phòng Dich vụ Dự báo Thời TiếtQuốc gia (Weather Service Weather Forecast Office) [17]

Theo công thức của Van phòng Dịch vụ Dự báo Thời tiết Quốc gia (NationalWeather Service Weather Forecast Office) [17] dua ra dé tính toán hệ số PWV từbóng thám không cũng dựa vào các yếu tố khí tượng nhận được trong qua trình bóngthời tiết di chuyển trong khí quyền như sau:

Sức trương hơi nước bão hòa trên mặt nước e„ [17]

(3.6)

.‹0/ X

é, =6112xeg| 1 vi a7, + 243.5

Trong đó ey: sức trương hơi nước, (đơn vi mb hoặc (hPa))

Tạ: nhiệt độ điểm sương (°C)

.074

fy =1.0016+3.15 10° « P=| SP | (3.7)

Trong đó P: áp suất không khí (hPa)

Sức trương hơi nước của không khí âm e

pw=vdxhx10"" (3.10)Với : vd: giá trị trung bình của mật độ hơi nước

Trang31 HV: HUYNH NGUYÊN ĐỊNH QUỐC