Câu 1 : Bức xạ và các thành phần bức xạ mặt trời Bức xạ điện từ là cơ sở nền tảng của công nghệ viễn thám. Tất cả mọi thứ phát ra bức xạ điện từ. Cụ thể hơn, tất cả các đối tượng với một nhiệt độ trên không độ tuyệt đối đều phát ra bức xạ. Bởi vì bức xạ có thể vận chuyển năng lượng ngay cả khi không một phương tiện, đó là cách duy nhất mà trái đất tương tác với phần còn lại của vũ trụ. Dụng cụ viễn thám trên vệ tinh tìm cách đo chính xác năng lượng điện từ phát ra từ trái đất và bầu khí quyển. Sự hiểu biết về khả năng và hạn chế của công nghệ viễn thám đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc hơn về bức xạ điện từ • Các nguồn năng lượng chính của trái đất là từ mặt trời. • Năng lượng mặt trời chuyển qua trái đất bằng sóng điện từ bức xạ. • Trong chân không, sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng (300.000 km s). • Quang phổ điện liên tục phân biệt các loại khác nhau của sóng dựa trên bước sóng và tần số. Thành phần bức xạ: Các quá trình của bức xạ khí quyển, bao gồm phát xạ, truyền xạ, phản xạ, tán xạ và hấp thụ Đối tượng của bức xạ khí quyển là mối quan tâm với năng lượng truyền trong không khí bởi các photon, hoặc tương đương bởi sóng điện từ Các photon được chia thành 2 loại: • Photon mặt trời (Shortwave) 0.1 4.0 µm • Photon nhiệt (Longwave) 4.0 – 100 µm Các định luật cơ bản : • 1. Định luật Planck – Một vật thể màu đen (một cấu trúc lý thuyết) được định nghĩa như một vật thể hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ đến nó – Hệ mặt trời và đấtkhí quyển là các vật thể đen tuyệt đối, nhưng chúng ta vẫn có thể áp dụng những định luật bức xạ của vật đen • 2. Định luật StefanBoltzmann – Tốc độ mà đối tượng tỏa nhiệt là tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn của nhiệt độ của nó σ=5,6697108 Wm2K4 – Cường độ của bức xạ phát ra từ năng lượng mặt trời quang quyển (nhiệt độ 5800 K) gấp nhiều lần từ bề mặt trái đất (15oC nhiệt độ hoặc 288 K) • 3. Định luật Wien’s – Khi nhiệt độ của vật thể tăng lên, bước sóng của bức xạ cường độ cao nhất phát ra giảm – Bước sóng của cường độ tối đa (micron) = 3000 T (bước sóng trong micron, một phần triệu của một mét, nhiệt độ ở thang độ K)
1 Đề cương khí tượng vệ tinh • • • • • – – • Câu : Bức xạ thành phần xạ mặt trời Bức xạ điện từ sở tảng công nghệ viễn thám Tất thứ phát xạ điện từ Cụ thể hơn, tất đối tượng với nhiệt độ không độ tuyệt đối phát xạ Bởi xạ vận chuyển lượng không phương tiện, cách mà trái đất tương tác với phần lại vũ trụ Dụng cụ viễn thám vệ tinh tìm cách đo xác lượng điện từ phát từ trái đất bầu khí Sự hiểu biết khả hạn chế công nghệ viễn thám đòi hỏi hiểu biết sâu sắc xạ điện từ Các nguồn lượng trái đất từ mặt trời Năng lượng mặt trời chuyển qua trái đất sóng điện từ xạ Trong chân không, sóng điện từ truyền với tốc độ ánh sáng (300.000 km / s) Quang phổ điện liên tục phân biệt loại khác sóng dựa bước sóng tần số Thành phần xạ: Các trình của xạ khí quyển, bao gồm phát xạ, truyền xạ, phản xạ, tán xạ hấp thu Đối tượng của xạ khí quyển mối quan tâm với lượng truyền không khí photon, tương đương sóng điện từ Các photon chia thành loại: • Photon mặt trời (Shortwave) 0.1 - 4.0 µm • Photon nhiệt (Longwave) 4.0 – 100 µm Các định luật bản : Định luật Planck Một vật thể màu đen (một cấu trúc lý thuyết) định nghĩa vật thể hấp thu hoàn toàn tất cả xạ đến Hệ mặt trời đất-khí quyển vật thể đen tuyệt đối, có thể áp dung định luật xạ của vật đen Định luật Stefan-Boltzmann – – • – – • • • • – • Tốc độ mà đối tượng tỏa nhiệt tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn của nhiệt độ của σ=5,6697*10-8 Wm-2K-4 Cường độ của xạ phát từ lượng mặt trời quang quyển (nhiệt độ 5800 K) gấp nhiều lần từ bề mặt trái đất (15oC nhiệt độ 288 K) Định luật Wien’s Khi nhiệt độ của vật thể tăng lên, bước sóng của xạ cường độ cao nhất phát giảm Bước sóng của cường độ tối đa (micron) = 3000 / T (bước sóng micron, phần triệu của mét, nhiệt độ thang độ K) Câu 2:phát xạ Phát xạ Sự phát xạ xạ điện-từ từ đối tượng/sự vật phát chuyển động ngẫu nhiên va chạm phân tử vật chất bên đối tượng Một đối tượng phát thông lượng xạ phổ đơn lẻ(duy nhất) phụ thuộc vào nhiệt độ khả phát xạ đối tượng Bức xạ gọi xạ nhiệt, phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ Bức xạ nhiệt biểu diễn lý thuyết vật đen Là vật chất hấp thụ toàn lượng điện từ rọi tới mà không phản xạ không truyền lượng định luật Stefan-Boltzmann: cường độ xạt hay đổi theo nhiệt độc đối tượng phát xạ Trong W tổng độchói xạphát ra, đo Wm -2, σ= 5,6697.10 -8 Wm-2K-4 số Stefan-Boltzmann Với đối tượng phát xạ cường độ xạ thay đổi hàm bước sóng nhiệt độ • • Sự phân bố phổ lượng thay đổi theo bước sóng nhiệt độ Quan hệ cường độ đỉnh phổ nhiệt độ vật đen mô tả định luật dịch chuyển Wien λ max bước sóng xạ phát theo phổ cực đại A =2898 μm T nhiệt độ – – – • – Khả phát xạ - Định luật Kirchoff Tỷ số xạ phát xạ hấp thụ tất vật đen nhiệt độ bước sóng - Tỷ số biểu thị khả phát xạ vật đen lý tưởng Giá trị (0-1) Biến động theo bước sóng: nước khả phát xạ giảm bước sóng giảm Định luật Planck nhiệt độ chói Định luật Planck phân bố lượng phổ phát xạ vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ độ dài bước sóng viết sau: Câu : nguyên lí quan trắc từ vệ tinh không gian : • – – – • • • Đo đạc gián phương pháp: bị động chủ động Đo xa tích cực: thiết bị đo phát sóng điện từ tới đối tượng đo, gặp đối tượng đo phản xạ trở lại thiết bị cảm biến (radar- Microwave) Đo xa thụ động: quan trắc (nhận) sóng điện từ từ đối tượng (mà ta định đo) truyền tới nhờ trình phát xạ phản xạ (Visible, IR) Tương ứng với dải phổ ta có loại (dạng) viễn thám: 1) Viễn thám thị phổ hồng ngoại phản chiếu, nguồn lượng xạ từ mặt trời; 2) Viễn thám hồng ngoại nhiệt với nguồn lượng xạ từ đối tượng thám sát, 3) Viễn thám vi sóng Riêng viễn thám vi sóng lại có loại: viễn thám tích cực viễn thám thụ động Phân biệt loại vệ tinh khí tượng Vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh quỹ đạo cực Nằm mặt phẳng xích Quỹ đạo gần cực đạo Độ cao khoảng: 800 -900 Độ cao khoảng 36000 km Quỹ đạo đồng với quay của trái đất Chu minutes kỳ khoảng 1436 Độ bao phủ lớn từ cao Có góc nhìn rộng ~ 50 degrees Độ phân giải thấp km Có quỹ đạo đồng mặt trời Chu kỳ quay 101 minutes Độ bao phủ tốt cực Có góc nhìn hẹp Độ phân giải cao Dữ liệu nhận thay đổi theo vĩ độ Thích hợp cho thám sát Cung cấp liệu liên tuc ~ thẳng đứng 15-30 Không thích hợp cho thám sát thẳng đứng • • • • Câu đặc điểm ảnh mây vệ tinh : Đặc điểm Độ phân giải không gian Kích cỡ của điểm ảnh mặt đất Được biểu diễn giá trị đơn lẻ (1km) điểm ảnh hình vuông Tùy theo nhu cầu sử dung từ phát -> xác định -> phân tích muc tiêu đòi hỏi của phân giải tăng dần Nguyên lý: Chọn độ phân giải khoảng 10 lần kích cỡ của đối tượng giám sát • • • • – – – • • • • • • • • Các kênh ảnh Tên của hình ảnh khác tương ứng với dải của quang phổ điện từ cảm biến vệ tinh thu Khí quyển có thể truyền qua dải khác của xạ khu vực nhất định của quang phổ Các khu vực gọi cửa sổ khí quyển kênh ảnh Cảm biến của vệ tinh có thể "nhìn thấy" loạt cửa sổ xạ điện từ Ba kênh quan trọng nhất sử dung là: Thị phổ: (0.6 microns) Hồng ngoại: (10 to 12 microns) Hơi nước: (6.5 and 6.9 microns ) Dạng ảnh Ảnh Alanog ảnh số Mỗi ô nhỏ nói ảnh điểm (pixel) Hình dạng (shape) của ảnh điểm thường cho hình vuông để dễ sử dung, có thể hình tam giác luc giác Số số của ảnh điểm số nhị phân (hay bits), biến đổi từ đến 2k, k số bits dùng để biểu diễn độ sâu của ảnh, phu huộc vào cảm biến kế của vệ tinh Kiểm định ảnh (calibration): Kiểm định hình học: đặt điểm ảnh vào vị trí địa lý của Kiểm định vật lý: chuyển đổi số đọc thiết bị đo xạ về tham sốvật lý Phân biệt đặc điểm của ảnh mây thị phổ (VIS) , hồng ngoại (IR) , nước ảnh thị phổ : Ảnh vệ tinh thị phổ biểu thị tán xạ ánh sáng mặt trời phản chiếu lại vật thể khí quyển trái đất Chỉ có vào ban ngày • – – – – • – – – – a) • • • • Sự khác biệt phản xạ của đám mây, nước, đất, thực vật cho phép phân biệt tính hình ảnh Những vùng đậm màu ảnh thị phổ thể vùng có lượng nhỏ ánh sáng mặt trời phản xạ lại không gian Những vùng trắng sáng thể vùng mây Những vùng màu xám thể trời quang mây Mặt biển nói chung màu tối tuyết mây dầy màu sáng Độ sáng của mây ảnh thị phổ sáng định độ cao của đỉnh mây, độ dầy của mây, lượng hạt nước tinh thể băng mây: Những mây stratus bao phủ trái đất tấm gồm nhiều hạt phản xạ nhiều ánh sáng mặt trời -> Hiển thị màu trắng Sương mù có thể dễ dàng nhìn thấy ảnh thị phổ Mây Ci tầng cao khó nhìn thấy có rất hạt đá Mây đối lưu sâu thị rõ ảnh thị phổ Nx: Vì ảnh thị phổ đo xạ phản chiếu, nên từ ảnh thị phổ có thể xác định albedo của đối tượng quan sát Những đặc tính vật lý mây có albedo lớn: mây dầy, lớn, thành phần nước (băng) lớn, kích thước hạt mây trung bình nhỏ Những đặc tính vật lý mây có albedo nhỏ: độ dày thấp, thành phần nước (bằng) nhỏ, kích cỡ hạt trung bình lớn b) Trên ảnh thị phổ mây xuất màu trắng, mặt đất nước màu xám đen đen, mặt đất sáng mặt biển c) Bóng dâm của mây dông có thể nhìn thấy về hướng mây thấp vào lúc xế chiều Các lớp phủ, lớp tuyết phủ, có thể kiểm soát không di chuyển mây Đặc điểm bề mặt, dòng chảy có thểnhìn thấy ảnh thị phổ d) Ảnh thị phổ dùng phối hợp với ảnh IR đểphân biệt loại mây Mây Stratus ảnh thị phổ trắng, ảnh IR xám mây Cirrus dày có màu trắng cả loại ảnh Ảnh thị phổ có thể nhìn thấy bóng của mây giúp cho việc xác định cấu trúc của mây mặt trời nghiêng ảnh hồng ngoại (IR) • • • • • – – • • • • Tất cả đối tượng phát xạ liên quan đến nhiệt độ khả của để phát xạ Ảnh hồng ngoại có cả ban ngày ban đêm Một công cu hồng ngoại cung cấp thông tin về nhiệt độ của đất, nước, đám mây cách đo xạ hồng ngoại phát từ bề mặt vệ tinh Các lượng xạ đo cảm biến hồng ngoại chuyển đổi thành nhiệt độ Trong hình ảnh hồng ngoại, đối tượng lạnh có màu trắng bề mặt nóng xuất màu đen Phân biệt đặc tính mây ảnh hồng ngoại: Ảnh hồng ngoại có thể sử dung để phân biệt mây thấp mây cao Mây thấp tương đối ấm thể thành màu xám ảnh Mây dầy lạnh, đám mây dông thể màu trắng Bề mặt đất biển có thể phân biệt đốt nóng khác nhau: Ban ngày bề mặt đất sẫm màu a) Vì ảnh IR đo lượng xạ nhiệt phát xạ của đối tượng đo nên từ có thể xác định nhiệt độ của đối tượng đo; nhờ mà sử dung phối hợp với ảnh nước để xác định giáng thuỷ Những mây thấp sương mù không thể quan sát vào ban đêm nhiệt độ của chúng gần giống nhiệt độ bề mặt mây cao phát triển cao có nhiệt độ thấp, sáng chói b) Trên ảnh hồng ngoại, mặt nước bề mặt mặt đất ấm làm xuất màu xám tối màu đen Các đỉnh mây lạnh màu trắng, mây mực thấp ấm nên có màu xám Các mây thấp sương mù khó nhận ảnh hồng ngoại mà nhiệt độ của chúng bề mặt gần chúng gần sát bề mặt trái đất • • c) có thể xử lý để cho ảnh tăng cường màu Số liệu từ ảnh hồng ngoại thông thường chế tác đặc biệt để làm bật chi tiết về nhiệt độ cấu trúc hình thái mây cách gán độ xám đậm nhạt màu để co hẹp giải nhiệt độ lại d) Vì ảnh IR có thể thu liên tuc nên có thể tạo ảnh động nhằm theo dõi di chuyển hay trình phát triển của hệ thống mây khu vực mà ta quan tâm Tổng kết a.Với ảnh VIS Ưu điểm: Có thể nhìn mẫu mây bản bão Quan sát bao phủ tuyết Có thể nhìn thấy bóng của đám mây cao (ảnh 3-D ) Nhược điểm: Chỉ có thể có vào ban ngày Khó phân biệt mây thấp với mây cao mây có albedo Khó phân biệt tuyết mây mùa đông b.với ảnh IR Ưu điểm: Phân biệt mây cao mây thấp Có thể quan trắc vào ban đêm Phân biệt mây bao phủ tuyết Cons: Có thể khó khăn phân biệt mây cirrus mây đối lưu sâu Làm cho đám mây xuất mờ với cạnh xác định so với ảnh thị phổ ảnh nước • Hình ảnh nước công cu có giá trị để phân tích dự báo thời tiết, đại diện cho mô hình dòng chảy của tầng đối lưu Hơi nước xuyên qua cho xạ bước sóng nhìn thấy 10-12 micron Tuy nhiên, nước chất hấp thu rất hiệu quả phát xạ có bước sóng 6.5 6.9 micron Vì vậy, vệ 10 • tinh đo lượng xạ phát không khí bước sóng có thể sử dung để phát nước khí quyển Hình ảnh vệ tinh nước hiển thị nồng độ nước lớp khí quyển 600 300 milibar, (4.000-9.000 mét) Đây tầng trung phần của tầng đối lưu, khu vực quan trọng cho phát triển của mây dông Trong hình ảnh nước, màu đen cho thấy số lượng nước thấp màu trắng sữa nồng độ cao Sáng trắng tương ứng với đám mây cao Hình ảnh nước cung cấp thông tin tất cả vùng, chí cả vùng mây • 10 12 Câu phân biệt mây stratus sương mù *Trên ảnh mây vệtinh ta có thểphân biệt sương mù mây Stratus theo cách sau: 1) Sương mù thường bám theo địa hình, nhưsương mù vùng thung lũng, đường gờcủa sương mù điển hình không theo quy tắc; o 2) Với ảnh mây liên thời gian ta có thểnhận thấy sương mù không chuyển động, mây Stratus di chuyển Tuy nhiên với sương mù bình lưu có thểdi chuyển, theo hướng di chuyển của không khí bình lưu, nên có thểphân biệt được; o 3) Vềban ngày sương mù ảnh thịphổthì sáng, ảnh hồng ngoại 3,7 µm tối, khảnăng phản xạlớn so với khảnăng phát xạ(ởnhiệt độ ấm gần sát mặt đất) *Nhận biết sương mù tổ hợp kênh + Nếu sương mù mặt phẳng mịn, mây Sc/Ac mặt lốm đốm; + Sương mù sáng chói Sc/Ac, có độdày; + Sương mù có gờcạnh phân biệt (rõ nét hơn), mây cao thường cóbóng đen kèm; + Sương mù ởkênh ấm hơn; + Sương mù di chuyển rất chậm theo thời gian *Thể ảnh NOAA: • Sương mù mây stratus rất sáng ảnh 0,6 µm (Ch1) 0,9 µm (Ch2), có vào ban ngày Nếu mây nằm mây trung cao phát rất khó 12 13 • Trên ảnh 10,8 µm (Ch4), Biểu của mây stratus sương mù đồng nhất ảnh VIS, phát khó hơn, khác biệt của nhiệt độ đỉnh mây bề mặt nhỏ, nhiên khác biệt nhỏ có thể tăng cường vùng mây có thể nhìn rõ • Ban đêm ảnh 3,7 µm (Ch3B) mây St/fog sáng Ch4 biến động phổ của khả phát xạ của hạt mây Sự khác biệt lệ nghịch với hạt nước mây Trên biển hạt to nên khác biệt nhỏ • Ban ngày dùng kết hợp kênh: 124 • Kết hợp kênh345 có thể dùng cả ngày đêm Câu : phân tích front ; Các giai đoạn front : 13 14 14 15 Thời tiết có front : Khi có front lạnh Thời tiết trước sau front nóng Trước front qua Gió Trong front qua Đổi hướng Sau front qua Nhiệt độ Tăng Nóng lên sau trì Tăng nhẹ sau giảm Tạnh chủ yếu Sc Lạnh Áp suất Thường Giáng thủy giảm Ci, Cs, As, Ns, St, sương Điển hình cb mùa hè Mưa phùn sương mù Biểu Thời tiết xấu Điểm sương Tăng Mây Duy trì Mây tầng Mưa phùn Thời tiết xấu có cải thiện Duy trì Sử dụng ảnh mây vệ tinh phân tích front : 15 Thường có mưa nhẹ mưa rào Thời tiết tốt, sương mù Tăng sau trì 16 16 17 Câu : phân tích mây đối lưu Có giai đoạn hình thành nguyên nhân động lực, nhiệt lực kết hợp a.Mây đối lưu đất liền Trong điều kiện gió nhẹ: thuận lợi phát triển của mây Cu, bề mặt đất cao, kết hợp với rãnh, nơi có hội tu của gió biển => mây Cu phân bố ngẫu nhiên Trong điều kiện gió mạnh ( chu kỳ lặp: ngày Phân giải thời gian vệ tinh địa tĩnh MTSAT-2: Thời gian thực lần quét đầy đủ hình tròn 25 phút -> Độ phân giải thời gian 1h Phân giải phổ Phân giải phổ – Số kênh phổ Càng nhiều kênh nhiều thông tin Độ rộng kênh phổ, tránh vùng tận dụng ưu điểm cửa sổ khí Phân giải nhị phân • Số số ảnh điểm số nhị phân (hay bits), biến đổi từ đến 2k, k số bits dùng để biểu diễn độ sâu ảnh, phụ thuộc vào cảm biến kế vệ tinh Số mức xám kênh phổ định • Sự thay đổi nhỏ mức cường độ phát cảm biến Câu 11 ; - Các sản phẩm bậc cao: Ước tính nhiệt độ đỉnh mây, độ cao đỉnh mây, phân loại mây • Ước tính nhiệt độ đỉnh mây: 23 24 c • Độ cao đỉnh mây: Các kênh 11.2, 12.3, 13.3 µm sử dụng để xác hóa nhiệt độ đỉnh mây tương ứng với xạ hấp thụ mây Trong mô hình thám không, độ cao nhiệt độ đỉnh mây sử dụng để xác định độ cao đỉnh mây • Phân loại mây a) phương pháp giá trị ngưỡng: nhiệt độ vật đen tư ̛ g đư ̛ g hay giá on on trị ngư ng hệ số phản xạ phổ đư c chọn để phân biệt đối tư ng ỡ ợ ợ mây hay không phải mây ảnh hồng ngoại thị phổ Thông tin về nhiệt độ đỉnh mây thu đư c nhờ việc so sánh nhiệt độ chói với ợ profile nhiệt độ khí quyển quan trắc vô tuyến thám không Sử dung giá trị ngư ng hệ số phản xạ thị phổ hay cận hồng ngoại rất tốt ỡ cho việc xác định quang cảnh đại dư ̛ g bầu trời quang mây, on nghĩa tia mặt trời phản chiếu b) phương pháp đa phổ: sử dung tổ hợp kênh giản sử dung quan trắc thị phổ hồng ngoạI hệ số phản xạ thị phổ quan trắc đư c ợ nhiệt độ vật đen tư ̛ g đư ̛ g đư c tổ hợp dãy chiều on on ợ (2-D array), sau quan trắc đư c phân loại dựa nhiệt độ ợ độ chói tư ̛ g đối của chúng on c) phương pháp lát cắt CO2: Lát cắt CO2 đư c sử dung để phân biệt ợ 24 25 mây truyền xạ từ mây không suốt trời quang, sử dung quan trắc đa phổ thám sát xạ hồng ngoại độ phân giải cao Thuật toán lát cắt CO2 xác định đư c cả hai lớp mây (và cả ợ nhiệt độ mây liên quan) tổng lư ng mây từ nguyên tắc truyền ợ xạ Điều đư c đặc biệt hiệu quả việc nhận biết ợ mây Cirrus mỏng mà thư ng bị nhầm lẫn dùng phư ̛ g pháp cửa on sổ hồng ngoại giản đơ ảnh thị phổ n câu 12- Các phương pháp ước tính lượng mưa từ ảnh mây vệ tinh 1, Phương pháp ảnh hồng ngoại Nguyên lý: Mưa mặt đất liên quan với đặc tính đỉnh mây quan sát từ vệ tinh VIS Õ mưa lớn Sáng (Mây dầy hơn) Õ không mưa Tối IR lạnh (Mây sâu hơn) Õ mưa lớn Õ không mưa Nóng NIR |TNIR-TIR|~0 (Hạt nước lớn băng)Õ nhiều khả mưa |TNIR-TIR|>0 (Hạt nước nhỏ) 2, Phương pháp microwave 25 Õ không mưa 26 Nguyên lý: Lượng mưa mặt đất liên quan với phát xạ sóng microwave từ hạt mưa (các kênh tần số thấp) tán xạ sóng microwave từ hạt bang (các kênh tần số cao) kênh tần số thấp – biển Ấm Õ nhiều hạt nước, mưa lớn Lạnh Õ không mưa kênh tần số cao Lạnh Õ Tán xạ từ hạt bang lớn, mưa lớn Ấm Õ không mưa 26