Nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại khu vực trung tâm thành phố hà nội và đề xuất biện pháp giảm thiểu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Thu Hương NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ TẠI KHU VỰC TRUNG TÂM THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ BIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Thu Hương

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ TẠI KHU VỰC TRUNG TÂM THÀNH PHỐ HÀ NỘI

VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội -2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Thu Hương

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ

TẠI KHU VỰC TRUNG TÂM THÀNH PHỐ HÀ NỘI

VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCNGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN THỊ HOÀNG LIÊN

Hà Nội – Năm 2015

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 60440301

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hoàng Liên, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như hoàn thành luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô tại Đại học Tsukuba, Nhật Bản và các bạn đồng nghiệp tại Công ty Honda Việt Nam đã tạo điều kiện cho em tham gia nghiên cứu, sử dụng kết quả để hoàn thành luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô trong Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt kiến thức cho em trong những năm học tập tại Trường

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo, anh, chị và các bạn trong

Bộ môn Quản lý Môi trường đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn

Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn là nguồn động lực lớn nhất, tạo mọi điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần cho

em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, 30 tháng 10 năm 2015

Học viên

MỤC LỤC

MỤC LỤC……….ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt đô thị trên thế giới và Việt Nam 2

1.1.1 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt trên thế giới 2

1.1.2 Phân loại hiện tượng đảo nhiệt đô thị 5

1.1.3 Nguyên nhân của hiện tượng đảo nhiệt đô thị 8

1.1.4 Tác động của hiện tượng đảo nhiệt đô thị 11

1.1.5 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Việt Nam 12

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 15

1.2.1 Dân số thành phố Hà Nội 15

1.2.2 Vị trí, địa hình 17

1.2.3 Thủy văn 18

1.2.4 Khí hậu 18

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 20

2.2.1 Thu thập tài liệu thứ cấp 20

2.2.2 Phân tích các dữ liệu nhiệt độ không khí, vẽ đồ thị nhiệt 21

2.2.3 Xây dựng bản đồ nhiệt, phân tích nội suy không gian nhiệt bề mặt bằng phần mềm Arc GIS 10.1 22

2.2.4 Trích lọc giá trị nhiệt độ từ ảnh vệ tinh Lansat 23

2.2.5 Khảo sát trực tiếp và nghiên cứu thực địa tại các khu vực trạm quan trắc và khu vực lân cận 26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ……… 27

3.1 Kết quả phân tích dữ liệu khí tượng 27

3.1.1 Kết quả phân tích dữ liệu khí tượng biến động theo nhiệt độ trung bình tháng từ năm 1980-2011 27

3.1.2 Phân tích kết quả biến đổi nhiệt độ trung bình theo ngày 29

3.2 So sánh dữ liệu khí tượng biến đổi theo giờ và phân tích nhiệt độ biến đổi theo giờ trên bản đồ nội suy 34

3.2.1 So sánh dữ liệu khí tượng biến đổi theo giờ 34

3.2.2 Phân tích nhiệt độ biến đổi theo giờ trên bản đồ nội suy 35

3.4 Đề xuất một số biện pháp giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt đô thị ở khu vực trung tâm thành phố Hà Nội 47

3.4.1 Tác dụng của cây xanh đối với hiện tượng đảo nhiệt đô thị 47

3.4.2 Tác dụng gia tăng Albedo đối với bề mặt đô thị 51

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các đặc điểm cơ bản của hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt và khí quyển

[13] 5

Bảng 2 Danh sách các quận khu vực nội thành thành phố Hà Nội [4] 16

Bảng 3 Dữ liệu khí hậu Hà Nội (1898-1990) [26] 19

Bảng 4 Thống kê dữ liệu thời tiết sử dụng trong nghiên cứu 21

Bảng 5 Nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc trong bốn ngày nghiên cứu 35

Bảng 6 Nhiệt độ mặt đất tại tọa độ các trạm quan trắc từ bản đồ phân bố nhiệt 46

Bảng 7 Kết quả chụp ảnh nhiệt hồng ngoại tại các vị trí đo đạc và chọn dải nhiệt độ từ 84 -140 oF (28,9-60 oC) 48

Bảng 8 Kết quả kiểm chứng của biện pháp sơn 53

DANH MỤC HÌNH

Hình1 Hình ảnh mô tả hiện tượng đảo nhiệt đô thị [13] 2 Hình 2 Tốc độ phát triển nhiệt đô thị ở một số thành phố lớn trên thế giới [10] 3 Hình 3 Trung bình nhiệt độ tháng 9 trong suốt mười năm tại khu vực Kanto từ năm

1907 đến 2007 Nhật Bản [25] 3 Hình 4 Biểu đồ nhiệt độ trung bình thấp nhất hang năm tại trạm Phoenix và trạm tượng đài quốc gia Casa Grande tại bang Arizona, Hoa Kỳ [15] 4 Hình 5 Nhiệt độ trung bình năm các khu vực phía nam Victoria giai đoạn 1990 – 2000 [17] 5 Hình 6 Ảnh vệ tinh Lansat của các điểm đảo nhiệt tại Atlanta [14] 6 Hình 7 Hình ảnh đặc điểm độ thấm nước và thoát hơi nước của bề mặt [13] 8 Hình 8 Tương quan cường độ năng lượng mặt trời và các bước sóng tới bề mặt[13] 9 Hình 9 Biểu đồ nhiệt độ trung bình tháng 6 tại các trạm quan trắc giai đoạn 1980 –

2011 27 Hình 10 Biểu đồ nhiệt độ trung bình tháng 7 tại các trạm quan trắc từ năm 1980 – 2011 28 Hình 11 Biểu đồ nhiệt độ trung bình tháng 1 tại các trạm quan trắc từ năm 1980 – 2011 28 Hình 12 Bản đồ phân bố bề mặt khu vực thành phố Hà Nội [22] 29 Hình 13 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 8 năm 2009 30 Hình 14 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 9 năm 2009 30 Hình 15 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 10 năm 2009 31 Hình 16 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 5 năm 2010 31 Hình 17 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 8 năm 2010 32 Hình 18 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 11 năm 2010 32

Hình 19 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 10 năm 2012

33

Hình 20 Biểu đồ nhiệt độ trung bình ngày tại các trạm quan trắc tháng 11 năm 2012 33 Hình 21 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 20 tháng 6 năm 2011 34

Hình 22 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 30 tháng 11 năm 2012 35

Hình 23 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 5 tháng 1 năm 2013 36

Hình 24 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 4 tháng 5 năm 2013 36

Hình 25 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 24 tháng 03 năm 2013 37

Hình 26 Biểu đồ nhiệt độ trung bình giờ các trạm ngày 16 tháng 05 năm 2013 37

Hình 27 Bản đồ nội suy nhiệt độ 6h và 15h ngày 5 tháng 1 năm 2013 38

Hình 28 Bản đồ nội suy nhiệt độ 6h và 15h ngày 04 tháng 05 năm 2013 39

Hình 29 Bản đồ nội suy nhiệt độ 6h và 15h ngày 24 tháng 03 năm 2013 40

Hình 30 Bản đồ nội suy nhiệt độ 6h và 15h ngày 16 tháng 05 năm 2013 40

Hình 31 Vị trí tương đối giữa các trạm quan trắc trên ảnh Google Earth 41

Hình 32.Bề mặt che phủ xung quanh trạm Nguyễn Văn Cừ và Trạm Lăng……….41

Hình 33 Bề mặt che phủ xung quanh trạm Láng và Trạm Hà Đông 42

Hình 34 Bề mặt che phủ xung quan trạm quan trắc Sơn Tây và Ba Vì 42

Hình 35 Bề mặt che phủ xung quan trạm quan trắc Hải Dương và Hà Nam 42

Hình 36 Hình bên trái ảnh màu tự nhiên chụp từ vệ tinh, hình bên phải ảnh nhiệt chụp từ vệ tinh L5 ngày 24/9/2011 [24] 43

Hình 37 Bản đồ hồng ngoại nhiệt khu vực Hà Nội từ vệ tinh Landsat 5 ngày 29/11/2011 44

Hình 38 Histogram LST 45

Hình 39 Bản đồ LST khu vực thành phố Hà Nội theo phương pháp NOR ngày 24/09/2011 45

Hình 40 Một số hình ảnh đo đạc thực nghiệm 50

Hình 41 Mô hình khu vực mái sơn được áp dụng thử nghiệm 52

Hình 42 Một số hình ảnh kiểm chứng kết quả 53

DANH TỪ VIẾT TẮT

Hiện tượng đảo nhiệt đô thị

MỞ ĐẦU

Theo Luke Howard (1810), hiện tượng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island

-UHI): “Là hiện tượng khu vực trung tâm đô thị ấm hơn đáng kể so với khu vực

ngoại ô xung quanh do các hoạt động của con người [19]

Hiện tượng này đã xảy ra mạnh mẽ ở các thành phố lớn trên thế giới như ky-o, Bờ-rút-xen, Luân Đôn, … Đã có nhiều nghiên cứu về UHI, nhiều biện pháp khắc phục đã được đề xuất cũng như áp dụng nhằm giải quyết hiện tượng UHI, trong đó thiết kế đô thị và quy hoạch đô thị đặc biệt quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này

To-Khu vực trung tâm thành phố Hà Nội bao gồm 12 quận, dân số khoảng 2,5 triệu người (chiếm 38% dân số Hà Nội), mật độ dân số hơn 10 nghìn người/1 km2, riêng các quận Đống Đa, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm, mật độ dân số lên đến gần 30 nghìn người/1 km2 [4] Cùng với những hoạt động thương mại, dịch vụ, sinh hoạt, tiêu thụ năng lượng, và hiện trạng sử dụng, quy hoạch đất, không gian… khu vực trung tâm thành phố Hà Nội đã có những dấu hiệu cho thấy xuất hiện hiện tượng UHI vào các ngày nắng nóng [2] Do đó, Hà Nội sẽ phải đối mặt với những tác động mạnh mẽ của UHI trong tương lai không xa nếu như không có những giải pháp hợp lý

Mặc dù Hà Nội có thể chưa phải là một điểm nóng xảy ra hiện tượng đảo nhiệt đô thị, tuy nhiên cần thiết phải có các nghiên cứu về dấu hiệu của hiện tượng này để có những đề xuất về thiết kế đô thị thích hợp dựa trên những bài học quốc tế nhằm chủ động ứng phó với vấn đề ngay trong giai đoạn đầu khi những tác động

của UHI chưa ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống con người

Xuất phát từ lý do đó, học viên đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng

đảo nhiệt đô thị tại khu vực trung tâm thành phố Hà Nội và đề xuất một số biện pháp giảm thiểu” làm đề tài nghiên cứu của Luận văn Thạc sỹ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

 Nghiên cứu các dấu hiệu và đánh giá mức độ của hiện tượng đảo nhiệt

đô thị (UHI) tại khu vực trung tâm thành phố Hà Nội

 Đề xuất một số giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đảo nhiệt đô thị cho khu vực trung tâm thành phố Hà Nội

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt đô thị trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt trên thế giới

Hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI) được Luke Howard mô tả lần đầu tiên khi ông phát hiện nhiệt độ không khí tại thành phố Luân Đôn cao hơn khu vực nông thôn 3,7OF vào ban đêm và 0,34 OF vào ban ngày [23] Hình 1 cho thấy hình ảnh điển hình mô tả hiện tượng UHI

Sự chênh lệch nhiệt độ vào ban đêm thường lớn hơn sự chênh lệch nhiệt độ vào ban ngày và rõ ràng nhất khi tốc độ gió yếu Hiện tượng này cũng diễn ra rõ rệt giữa mùa đông và mùa hè Nhiệt độ không khí trung bình của thành phố có từ khoảng 1 triệu dân trở lên có thể cao hơn khu vực xung quanh từ 1-3oC; vào những đêm lặng gió và quang mây sự chênh lệch nhiệt độ này có thể lên tới 12oC Thậm chí, hiện tượng UHI cũng có thể xuất hiện ở các thành phố và các đô thị nhỏ, mặc

dù có thể không rõ rệt [13]

Hình1 Hình ảnh mô tả hiện tượng đảo nhiệt đô thị [13]

Hiện tượng đảo nhiệt đô thị đã diễn ra mạnh mẽ ở nhiều đô thị lớn trên thế giới như Tokyo, Thượng Hải, Lốt An-giơ-let, San Đi-ê-gô… Nhiệt độ không khí ở các đô thị này tăng khoảng 0,2 - 0,8 oC trong một thập kỷ (Hình 2)

Hình 2 Tốc độ phát triển nhiệt đô thị ở một số thành phố lớn trên thế giới [10]

Hình 3 cho thấy kết quả nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tạo Tokyo, Nhật Bản

Hình 3 Trung bình nhiệt độ tháng 9 trong suốt mười năm tại khu vực Kanto

1950 tới 2006, nhiệt độ trung bình thấp nhất theo ngày trong năm ở khu vực đô thị tại trạm Phoenix cao hơn rất nhiều nhiệt độ trung bình thấp nhất theo ngày tại khu vực nông thôn tại trạm tượng đài Casa Grande nằm giữa hai thành phố lớn (Hình 4)

Hình 4 Biểu đồ nhiệt độ trung bình thấp nhất hang năm tại trạm Phoenix và trạm tượng đài quốc gia Casa Grande tại bang Arizona, Hoa Kỳ [15]

Ở Úc, nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại khu vực Nam Victoria trong giai đoạn 1900 - 2000, cho thấy hiện tượng đảo nhiệt đô thị đã xuất hiện tại thành phố Melbourne (Hình 5) Do ảnh hưởng của hiện tượng đảo nhiệt đô thị, nhiệt

độ trung bình năm tại thành phố Melbourne đã rút ngắn chênh lệch với nhiệt độ trung bình năm tại các các vùng khác thuộc khu vực Nam Victoria từ năm 1960

Hình 5 Nhiệt độ trung bình năm các khu vực phía nam Victoria giai đoạn

1990 – 2000 [17]

1.1.2 Phân loại hiện tượng đảo nhiệt đô thị

Đảo nhiệt xảy ra cả trên bề mặt đô thị và khí quyển Hai loại đảo nhiệt đô thị này khác nhau ở cách hình thành, các phương pháp kĩ thuật được sử dụng để xác định và đo đạc, ảnh hưởng và phương pháp để giảm thiểu chúng (Bảng 1)

Bảng 1 Các đặc điểm cơ bản của hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt và khí quyển [13]

- Rõ rệt nhất vào ban đêm hoặc trước khi mặt trời mọc và mùa đông

Biến động:

Ban ngày: 1 - 3 oC Ban đêm: 7 - 12 oC

- Biểu đồ đường nhiệt độ

Đảo nhiệt đô thị bề mặt:

Vào mùa hè, ánh mặt trời làm khô nóng bề mặt các đô thị như mái nhà, vỉa hè… làm nhiệt độ bề mặt tại các khu vực không thấm nước của đô thị có thể cao hơn không khí khoảng từ 27 - 50°C, trong khi nhiệt độ bề mặt của các khu vực cây xanh, thảm cỏ, bề mặt thấm ướt hay có bóng râm – thường ở khu vực ngoại ô xung quanh – xấp xỉ bằng nhiệt độ không khí Đảo nhiệt đô thị bề mặt thường xuất hiện đặc trưng vào cả ban ngày và đêm, nhưng hiện tượng này được nhìn thấy rõ ràng nhất vào ban ngày khi có mặt trời chiếu sáng

 Đảo nhiệt đô thị bề mặt có thể xác định và đo đạc gián tiếp qua ảnh vệ tinh bằng phương pháp viễn thám, ghi lại năng lượng được phản chiếu và phát thải ra từ mặt đất bao gồm bề mặt mái nhà, vỉa hè, thảm thực vật, mặt đất và nước Tất cả các bề mặt tỏa ra năng lượng nhiệt được phát sinh từ bước sóng dài Các công cụ trên ảnh vệ tinh hay các loại viễn thám khác có thể xác định và đo đạc những bước sóng dài đưa ra biểu thị của nhiệt độ Một vài thành phố ở khu vực Atlanta, Hoa Kỳ cũng đã sử dụng ảnh vệ tinh Lansat (Hình 6) để phân loại bề mặt đất và xác định đảo nhiệt

Hình 6 Ảnh vệ tinh Lansat của các điểm đảo nhiệt tại Atlanta [14]

 Tuy nhiên, đo đạc bề mặt nhiệt độ bởi phương pháp viễn thám có một vài giới hạn Thứ nhất là do không chụp được các bức xạ phát thải theo chiều dọc tường của tòa nhà, bởi vì các thiết bị hầu hết chỉ quan sát được những phát thải theo chiều ngang của bề mặt như mặt đường, mái nhà hay ngọn cây Thứ hai, dữ liệu viễn thám đại diện cho bức xạ đã xuyên qua không khí hai lần, bước sóng dài từ

mặt trời tới trái đất sau đó là từ trái đất đến khí quyển Như vậy, dữ liệu phải được hiệu chỉnh để ước tính chính xác tính chất bề mặt bao gồm cả phản xạ năng lượng mặt trời và nhiệt độ

Đảo nhiệt đô thị khí quyển:

 Đảo nhiệt đô thị khí quyển thường yếu vào cuối buổi sáng và suốt cả ngày và trở nên mạnh sau khi mặt trời lặn bởi sự tỏa nhiệt từ bề mặt cơ sở hạ tầng đô thị Nhiệt độ trung bình năm của một thành phố với từ một triệu dân trở lên có thể

ấm hơn khu vực xung quanh khoảng 1 - 3°C Tuy nhiên, vào những ngày trời quang, lặng gió, sự chênh lệch nhiệt độ có thể lên đến 12°C

 Nhiệt độ khí quyển thường được đo ở độ cao cách mặt đất 1,5 m đó là điểm tiêu chuẩn đo đạc thời tiết Tất cả các nguồn dữ liệu đều có thể sử dụng cho việc nghiên cứu đảo nhiệt khí quyển bao gồm các trạm quan trắc thời tiết quốc gia, trạm thời tiết quân đội, mạng lưới các trạm quan trắc ở đô thị và các vùng miền, hay các dữ liệu đo đạc thực tế, các dữ liệu trên một số thiết bị máy móc trên ô tô hoặc máy bay

 Tương tự như những đo đạc bề mặt, đo đạc nhiệt độ không khí cũng có những hạn chế Mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt và không khí giảm khi độ cao tăng

Do đó, khả năng nhiệt độ không khí phản ánh tin cậy nhiệt bề mặt phụ thuộc vào

độ cao của vị trí đo đạc Sử dụng phương pháp đo đạc không khí để đánh giá đảo nhiệt cũng bị ảnh hưởng bởi vài yếu tố:

- Dữ liệu nhiệt độ cần phải có được từ các trạm quan trắc cả các vùng đô thị và khu vực lân cận gần đô thị;

- Các nghiên cứu phải cân nhắc những sự thay đổi của thiết bị đo đạc, mẫu chọn, phương pháp ghi nhận dữ liệu và các trạm vi khí hậu;

- Việc so sánh giữa nhiệt độ đô thị và các vùng lân cận trở nên ít có giá trị như các khu vực xung quanh sân bay bị đô thị hóa, bởi vì sân bay thường được coi như một nguồn khu vực lân cận đô thị

1.1.3 Nguyên nhân của hiện tượng đảo nhiệt đô thị

 Mức độ che phủ thực vật thấp ở khu vực đô thị:

Thực vật và không gian mở là dạng cảnh quan nổi bật ở khu vực nông thôn Cây cối và các loài thực vật tạo bóng mát giúp giảm nhiệt độ bề mặt, chúng cũng giúp nhiệt độ không khí giảm xuống nhờ quá trình bốc hơi nước Ngược lại, bề mặt của khu vực đô thị khô, không thấm nước như mái nhà, đường hố, khu đỗ xe [13] Tại các thành phố phát triển, thảm thực vật dần bị thay thế bởi các bề mặt vỉa hè, đường phố và những tòa nhà Sự thay đổi bề mặt che phủ này là nguyên nhân dẫn đến các khu đô thị bị mất bóng mát và độ ẩm Điều này làm giảm khả năng bốc hơi nước dẫn đến gia tăng nhiệt độ bề mặt và không khí Hình 7 cho thấy sự khác biệt về khả năng bốc hơi nước và thấm nước giữa khu vực có mức độ che phủ thực vật cao và khu vực không có cây xanh tại đô thị

Hình 7 Hình ảnh đặc điểm độ thấm nước và thoát hơi nước của bề mặt [13]

 Thành phần vật liệu bề mặt đô thị

Thành phần vật liệu bề mặt đô thị ảnh hưởng đến mức độ phản xạ, hấp thụ hay phát xạ của năng lượng mặt trời vì mức độ phản xạ ánh sáng mặt trời, phát thải nhiệt và nhiệt dung sẽ ảnh hưởng tới mức độ đảo nhiệt đô thị

Hình 8 Tương quan cường độ năng lượng mặt trời và các bước sóng tới

bề mặt [13]

Ánh sáng mặt trời đến Trái đất có 5% tia cực tím, 43% ánh sáng nhìn thấy từ ánh sáng đỏ đến tím, 52% tia hồng ngoại Hình 8 cho ta thấy sự tương quan của các sóng và cường độ năng lượng Phần lớn năng lượng mặt trời nằm ở các bước sóng dài trong vùng nhìn thấy, do đó sự phản xạ năng lượng (hay albedo, là phần trăm năng lượng bị phản xạ bởi mặt đất) có liên quan mật thiết tới màu sắc của bề mặt

Bề mặt tối có xu hướng albedo thấp hơn bề mặt sáng

` Vật liệu bề mặt khu vực đô thị chủ yếu là mái nhà, vỉa hè, đường phố nên albedo sẽ thấp hơn khu vực nông thôn xung quanh Điều này dẫn đến khả năng phản xạ nhiệt của bề mặt thấp đồng thời hấp phụ cao khiến cho gia tăng nhiệt độ bề mặt và không khí

Một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đó là nhiệt dung của vật liệu tức là khả năng dự trữ nhiệt của vật liệu Rất nhiều vật liệu xây dựng như

đá, thép có nhiệt dung cao hơn các vật liệu ở khu vực nông thôn như cát, sỏi Kết quả là các khu vực thành thị sẽ giữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt bởi cơ sở

hạ tầng của các khu vực này Những khu vực trung tâm, nhiệt bị hấp phụ vào bề mặt

có khả năng lớn hơn gấp đôi khu vực nông thôn lân cận [13].

 Cấu trúc hình học của khu vực đô thị

Cấu trúc hình học của khu vực đô thị là yếu tố thể hiện kích thước, chiều, hướng và khoảng không của các tòa nhà trong khu vực đô thị Cấu trúc hình học đô thị ảnh hưởng đến hướng gió, khả năng hấp thụ năng lượng, và có những bề mặt có khả năng phát thải ra bước sóng phản xạ dài quay trở lại không khí

Ở các khu vực phát triển, những bề mặt và cấu trúc thường có những đối tượng ảnh hưởng đến việc thoát nhiệt như các toà nhà cao Đặc biệt vào buổi tối, không khí phía trên của khu vực trung tâm thường cao hơn khu vực nông thôn Đối với yếu tố cấu trúc hình học của khu vực đô thị, các nhà nghiên cứu tập trung vào khía cạnh mái che đô thị (urban canopy) nghĩa là những khoảng cách hẹp giữa các tòa nhà cao tầng Ban ngày, các mái che đô thị có thể có những ảnh hưởng trái ngược Một mặt, các tòa nhà cao tầng có thể tạo ra bóng mát, giảm nhiệt độ bề mặt

và không khí Mặt khác, khi ánh nắng mặt trời chiếu đến khu vực này, năng lượng mặt trời sẽ bị phản xạ và hấp thụ vào tường của các nhà cao tầng, điều này làm giảm albedo của khu đô thị và có thể dẫn đến gia tăng nhiệt độ Vào ban đêm, nhìn chung những mái che đô thị này làm cản trở sự làm mát bởi vì những tòa nhà và cấu trúc có thể ngăn cản nhiệt độ thoát ra khỏi cơ sở hạ tầng đô thị [13]

 Nhiệt phát thải từ hoạt động của con người

Nhiệt lượng này có nhiều nguồn phát thải nhưng chủ yếu từ sử dụng các thiết

bị làm mát, làm nóng, phương tiện giao thông vận tải, quá trình công nghiệp Đối với cơ sở hạ tầng và các hoạt động đô thị với việc sử dụng nhiều năng lượng từ các toà nhà và phương tiện giao thông vận tải phát thải ra nhiệt Nhiệt thải từ hoạt động này không đáng kể vào mùa hè nhưng vào mùa đông nó đóng góp một phần lớn vào hiện tượng đảo nhiệt đô thị [13]

 Các yếu tố khác: Thời tiết và địa lý có ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng đảo

nhiệt đô thị [13]

- Thời tiết: Hai yếu tố đầu tiên của thời tiết ảnh hưởng đến đảo nhiệt đô thị là: gió và mây Nhìn chung, đảo nhiệt đô thị thường kéo dài trong khi lặng gió và không mây bởi vì những điều kiện này làm tối đa năng lượng mặt trời tới bề mặt và

tối thiểu lượng nhiệt được đối lưu trở lại Ngược lại, gió mạnh và nhiều mây che phủ ngăn chặn hiện tượng đảo nhiệt

- Địa lý khu vực: Khí hậu và địa hình là những yếu tố của địa lý khu vực của thành phố ảnh hưởng đến đảo nhiệt đô thị Ví dụ, phần lớn địa hình là nước sẽ cân bằng nhiệt độ và có thể tạo ra gió để đối lưu nhiệt độ Gần các dãy núi có thể ngăn cản gió đến thành phố hoặc tạo ra những loại gió mà có thể vượt qua một thành phố

1.1.4 Tác động của hiện tượng đảo nhiệt đô thị

Nhiệt độ tăng cao từ ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị, đặc biệt vào mùa hè có những ảnh hưởng đến môi trường dân cư và chất lượng cuộc sống Trong khi đảo nhiệt đô thị có một vài ảnh hưởng dường như tích cực như kéo dài mùa tăng trưởng của cây cối, nhưng có một số ảnh hưởng tiêu cực bao gồm:

 Gia tăng tiêu thụ năng lượng

Gia tăng nhiệt độ đô thị đặc biệt vào mùa hè là nguyên nhân tăng nhu cầu năng lượng cho hệ thống làm mát và thêm áp lực cho mạng lưới điện trong những thời điểm nhu cầu sử dụng cao nhất, điều này nhìn chung xảy ra vào những ngày hè nóng khi các khu văn phòng, nhà ở sử dụng hệ thống làm mát, đèn chiếu sáng và các máy móc thiết bị Nhu cầu sử dụng năng lượng tăng 1,5 đến 2% cho khoảng 0,6

oC nhiệt độ gia tăng [13] Như gia tăng khoảng 32-42% năng lượng cho hệ thống làm mát vào mùa hè tại Luân Đôn Tuy nhiên, đối với mùa đông có thể giúp giảm thiểu việc sử dụng năng lượng chỉ bằng khoảng 66-85% so với khu vực ngoài đảo nhiệt

 Tăng ô nhiễm khí thải và phát thải các khí nhà kính

Sự gia tăng nhiệt độ chính là nguyên nhân gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng điều đó dẫn đến gia tăng ô nhiễm khí thải và phát thải các khí nhà kính Hiện nay, năng lượng điện đa số được sản xuất từ nhiệt điện hoặc thủy điện Do đó, ô nhiễm từ các nhà máy sản xuất này bao gồm khí SO2, NOx, Hg, CO, bụi Những khí thải này ảnh hưởng đến sức khỏe con người và là tác nhân gây ra những vấn đề về chất lượng không khí như mưa axit

 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Tăng nhiệt độ bề mặt ban ngày, giảm nhiệt độ làm mát ban đêm, và gia tăng mức độ ô nhiễm không khí do hiện tượng đảo nhiệt đô thị có thể gây tác động đến sức khỏe con người như hô hấp khó khăn, sự khó chịu, tử vong liên quan đến nhiệt

độ [13]

Đảo nhiệt đô thị cũng có thể tăng cường ảnh hưởng của các sóng nhiệt trong trời gian nóng bất thường và thường ẩm Dân số nhạy cảm như trẻ em và người già thường gặp rủi ro về sức khỏe trong những thời điểm như vậy Năm 1995, vào giữa tháng 7 nhiệt độ quá cao ở vùng Trung Tây nước Mỹ là nguyên nhân gây ra 1,000 cái chết Trung tâm Kiểm soát bệnh tật đã thống kê từ năm 1979 tới 1999, nhiệt độ quá cao đã gây ra 8,000 cái chết ở Hợp chủng quốc Hoa Kỳ Các con số này vượt quá tỷ lệ tử vong gây ra do bão, sấm sét, lũ lụt và động đất cộng lại [13]

 Suy giảm chất lượng nước

Nhiệt độ bề mặt tăng cao là nguyên nhân gây suy giảm chất lượng nước mà nguyên nhân chính là do ô nhiễm nhiệt Nhiệt độ bề mặt đường, mái nhà đạt mức 27 – 50 oC hơn nhiệt độ không khí Nhiệt độ nước bề mặt ở đô thị cao hơn khu vực nông thôn khoảng 11- 17 oC vào lúc giữa trưa mùa hè khi nhiệt độ bề mặt đô thị cao hơn nhiệt độ không khí khoảng 11- 19 oC Khi mưa xuống nhiệt độ bề mặt này sẽ làm gia tăng nhiệt độ mặt nước Nghiên cứu ở Arlington, Virginia, ghi nhận nhiệt

1.1.5 Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Việt Nam

Một số dấu của hiện tượng hiện nay đảo nhiệt đô thị hiện nay mới được nhận biết và bước đầu nghiên cứu tại 2 đô thị đặc biệt là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh trong đó:

 Thành phố Hồ Chí Minh:

Nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ.Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) bao gồm 19 quận và 5 huyện, tổng diện tích 2.095,06 km² Theo kết quả điều tra dân số chính thức vào thời điểm 0 giờ ngày 1 tháng 4 năm 2009 thì dân số thành phố là 7.162.864 người (chiếm 8,34% dân số Việt Nam), mật độ trung bình 3.419 người/km² Đến năm 2011 dân số thành phố tăng lên 7.521.138 người[1] Đến thời điểm 0 giờ ngày 1/4/2014 thì dân số thành phố đạt 7.955.000 người Tuy nhiên nếu tính những người cư trú không đăng ký thì dân số thực tế của thành phố vượt trên 10 triệu người Dưới tác động của quá trình

đô thị hóa tại TPHCM giai đoạn 1989-2006 đã làm tăng cường các bề mặt không thấm, từ đó gây tác động đến nền nhiệt độ chung trên toàn thành phố theo xu hướng tăng nóng [6] Kết quả ứng dụng viễn thám trích xuất nhiệt độ bề mặt đô thị đã xác định được độ lớn và không gian mở rộng của các “Đảo nhiệt đô thị bề mặt”, với độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt giữa khu vực đô thị và nông thôn khoảng 11oC – 12oC trên ảnh năm 2006 Độ lớn không gian của các đảo nhiệt đô thị bề mặt tăng từ 6 đến

26 lần, đặc biệt đảo nhiệt lớn nhất tập trung ở khu vực nội thành với diện tích gần 29.000ha Đảo nhiệt đô thị tác hại đến môi trường và sức khỏe con người rất lớn Vì vậy, cần thiết phải thực hiện hạ thấp nhiệt độ của đảo nhiệt để giúp thành phố thân thiện hơn với môi trường, bảo đảm sức khỏe con người, giảm nhu cầu năng lượng, giảm lãng phí nguồn nước theo mục tiêu phát triển bền vững [6]

 Thành phố Hà nội:

Hà Nội là Thủ đô của nước Việt Nam từ năm 1976 đến nay, là thành phố lớn nhất Việt Nam về diện tích với 3328,9 km2, đồng thời cũng là địa phương đứng thứ nhì về dân số Dân số Hà Nội là 6.451.909 người (2009)[4]

Theo GS.TS.Nguyễn Hữu Ninh, chuyên gia về biến đổi khí hậu, Hà Nội đang phát triển theo hướng xa rời các tiêu chí xanh Bê tông hóa và kính hóa làm tăng nguy cơ hấp thụ nhiệt dưới mặt đất, khiến lớp không khí cách mặt đất 100m đổ lại trở nên nóng hơn, nung nóng mặt đất lâu hơn Quá nhiều nhà cao tầng trong khi

tỷ lệ không gian trống giữa các tòa nhà và trên các tuyến đường ngày càng ít làm cho đối lưu không khí ngày càng bị hạn chế, tạo ra chế độ tiểu khí hậu cục bộ, vừa

gây ô nhiễm không khí vừa làm tăng oi bức [2] Trong khi đó, diện tích tuyệt đối và

tỷ lệ cây xanh, vốn có chức năng hấp thụ cả khí CO2 lẫn hấp thu nhiệt lại không được đảm bảo [2]

Trên 9 quận nội thành của Hà Nội có 45 nghìn cây xanh, nhưng lại tập trung chủ yếu ở 4 quận cũ là Ba Đình, Hoàn Kiếm, Hai Bà Trưng và Đống Đa [2]

Theo cảnh báo của GS.TSKH Nguyễn Đức Ngữ (Trung tâm Khoa học Công nghệ khí tượng, thủy văn và môi trường), Hà Nội sẽ chịu "hiệu ứng đảo nhiệt", nhiệt

độ khi đó sẽ cao hơn các vùng xung quanh, có thể đạt những kỷ lục mới cùng với sự kéo dài hơn của mùa nóng, sự gia tăng các đợt và số ngày nắng nóng [2]

Hiện tượng nắng nóng được ghi nhận tháng 5 và 6 năm 2015 vừa qua tại khu vực Hà Nội cũng như cả khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, cao nhất trong hơn 40 năm qua (từ năm 1971 trở lại đây) Cùng với kỷ lục về nhiệt độ không khí, sự tăng điện năng tiêu thụ trong những ngày vừa qua cũng đạt mức kỷ lục Theo Tổng công

ty điện lực TP Hà Nội: ngày 24/5/2015 nhiệt độ dao động trong khoảng 25oC -

36oC, sản lượng điện năng tiêu thụ là 41.520 MWh, công suất đỉnh đạt 2.027MW và ngày 25/5/2015 sản lượng điện năng tiêu thụ là 46.539MWh, công suất đỉnh lên tới 2.462 MW [2]

Nguyên nhân của nắng nóng ở Hà Nội, trước hết là do bức xạ mặt trời, đặc biệt là trực xạ của mặt trời ở nước ta có cường độ rất cao Thời điểm cuối tháng 5 là lúc mặt trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và vào giữa trưa mặt trời ở sát thiên đỉnh Đây cũng là giai đoạn trời ít mưa, quang mây nên cường độ bức xạ trực xạ của mặt trời là lớn nhất trong năm Theo dữ liệu thời tiết của Hà Nội từ năm 1996 - 2005 cho thấy cường độ bức xạ trực xạ trung bình của mặt trời từ 10h đến 14h có những ngày trong tháng 5 có thể đạt từ 800W/m2 đến hơn 900W/m2 (cường độ bức xạ mặt trời ở ngoài vùng khí quyển là 1350W/m2) [2] Nguyên nhân thứ hai là do sự hoạt động của áp thấp nóng phía Tây, có nguồn gốc từ vùng trung tâm ở khu vực Ấn Độ

và Myanmar, cộng thêm với gió mùa nhiệt đới biển Bắc Ấn Độ Dương vượt qua Trường Sơn thổi vào đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam gây ra “hiệu ứng Phơn” làm cho không khí trở nên nóng và khô Nguyên nhân thứ ba là hiện

tượng El Nino đang diễn ra khiến nhiệt độ mặt nước biển ở Thái Bình Dương ấm lên, gây ra thời tiết nóng nực, khô hạn khắp châu Á Ba nguyên nhân này mang tính lãnh thổ rộng lớn, có tính khách quan không thể tránh được Ngoài các nguyên nhân

kể trên còn có nguyên nhân thứ tư gây nên nắng nóng kỷ lục ở Hà Nội trong thời gian qua là nguyên nhân có tính cục bộ, thường xảy ra trong một đô thị, được gọi là

“hiệu ứng đảo nhiệt đô thị" Hiện tượng “hiệu ứng đảo nhiệt đô thị” rất nghiêm trọng ở khí hậu nhiệt đới, khi mà các bề mặt xây dựng không được che nắng và không gian xanh không thể ngăn chặn ánh nắng mặt trời trực tiếp, cũng như hấp thụ bớt lượng nhiệt phát sinh từ các hoạt động của đô thị (các công trình kiến trúc chạy máy điều hòa và xe cộ)

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Hà Nội là một trong năm thành phố trực thuộc Trung ương của Việt Nam, cùng với Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng và Cần Thơ Riêng Hà Nội

và Thành phố Hồ Chí Minh còn được xếp vào đô thị loại đặc biệt, thỏa mãn các tiêu chuẩn như tỷ lệ lao động phi nông nghiệp trong tổng số lao động trên 90%, quy mô dân số trên 5 triệu, mật độ dân số bình quân từ 15.000 người/km² trở lên, cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh

Sau những thay đổi về địa giới và hành chính năm 2008, Hà Nội hiện có 30 đơn vị hành chính cấp huyện – gồm 12 quận, 17 huyện, 1 thị xã và 584 đơn vị hành chính cấp xã – gồm 386 xã, 177 phường và 21 thị trấn Ngày 27/12/2013, Chính phủ ban hành Nghị quyết 132/NQ-CP điều chỉnh địa giới hành chính huyện Từ Liêm để thành lập 2 quận và 23 phường (Bảng 2)

1.2.1 Dân số thành phố Hà Nội

Các thống kê trong lịch sử cho thấy dân số Hà Nội tăng nhanh trong nửa thế

kỷ gần đây Vào thời điểm năm 1954, khi quân đội Việt Minh tiếp quản Hà Nội, thành phố có 53 nghìn dân, trên một diện tích 152 km² Đến năm 1961, thành phố được mở rộng, diện tích lên tới 584 km², dân số 91.000 người Năm 1978, Quốc hội quyết định mở rộng Thủ đô lần thứ hai với diện tích đất tự nhiên 2.136 km², dân số 2,5 triệu người Tới năm 1991, địa giới Hà Nội tiếp tục thay đổi, chỉ còn 924 km²,

nhưng dân số vẫn ở mức hơn 2 triệu người Trong suốt thập niên 1990, cùng việc các khu vực ngoại ô dần được đô thị hóa, dân số Hà Nội tăng đều đặn, đạt con số 2.672.122 người vào năm 1999 Sau đợt mở rộng địa giới gần đây nhất vào tháng 8 năm 2008, thành phố Hà Nội có 6,233 triệu dân và nằm trong 17 thủ đô có diện tích lớn nhất thế giới Theo kết quả cuộc điều tra dân số ngày 1 tháng 4 năm 2009, dân

số Hà Nội là 6.451.909 người, dân số trung bình năm 2010 là 6.561.900 người [4]

Bảng 2 Danh sách các quận khu vực nội thành thành phố Hà Nội [4]

STT Tên Thị xã/Quận/

Huyện

Đơn vị trực thuộc

Diện tích (km²)

Dân số (Điều tra dân số ngày 1/4/2009)

Mật độ

(km²)/người)

12 Quận

Mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 1.979 người/km² Mật độ dân số cao nhất là ở quận Đống Đa lên tới 35.341 người/km², trong khi đó, ở những huyện ngoại thành như Sóc Sơn, Ba Vì, Mỹ Đức, mật độ dưới 1.000 người/km² [4]

Về cơ cấu dân số, theo số liệu ngày 1 tháng 4 năm 1999, cư dân Hà Nội và Hà Tây chủ yếu là người Kinh, chiếm tỷ lệ 99,1% Các dân tộc khác như Dao, Mường, Tày chiếm 0,9% Năm 2009, người Kinh chiếm 98,73% dân số, người Mường 0,76% và người Tày chiếm 0,23 % Năm 2009, dân số thành thị là 2.632.087 chiếm 41,1%, và 3.816.750 cư dân nông thôn chiếm 58,1% [4]

Địa hình Hà Nội thấp dần theo hướng từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ 5 đến 20 mét so với mực nước biển Nhờ phù sa bồi đắp, ba phần tư diện tích tự nhiên của Hà Nội là đồng bằng, nằm ở hữu ngạn sông

Đà, hai bên sông Hồng và chi lưu các con sông khác Phần diện tích đồi núi phần lớn thuộc các huyện Sóc Sơn, Ba Vì, Quốc Oai, Mỹ Đức, với các đỉnh núi cao như

Ba Vì (1.281 m), Gia Dê (707 m), Chân Chim (462 m), Thanh Lanh (427 m), Thiên Trù (378 m) Khu vực nội thành có một số gò đồi thấp, như gò Đống Đa, núi Nùng

Thủ đô Hà Nội có bốn điểm cực là:

 Cực Bắc là xã Bắc Sơn, huyện Sóc Sơn

 Cực Tây là xã Thuần Mỹ, huyện Ba Vì

 Cực Nam là xã Hương Sơn, huyện Mỹ Đức

 Cực Đông là xã Lệ Chi, huyện Gia Lâm

1.2.3 Thủy văn

Sông Hồng là con sông chính của thành phố, bắt đầu chảy vào Hà Nội ở huyện Ba Vì và ra khỏi thành phố ở khu vực huyện Phú Xuyên tiếp giáp Hưng Yên Đoạn sông Hồng chảy qua Hà Nội dài 163 km, chiếm khoảng một phần ba chiều dài của con sông này trên đất Việt Nam

Hà Nội còn có sông Đà là ranh giới giữa Hà Nội với Phú Thọ, hợp lưu với dòng sông Hồng ở phía Bắc thành phố tại huyện Ba Vì Ngoài ra, trên địa phận Hà Nội còn nhiều sông khác như sông Đáy, sông Đuống, sông Cầu, sông Cà Lồ, Các sông nhỏ chảy trong khu vực nội thành như sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, là những đường tiêu thoát nước thải của Hà Nội

Hà Nội cũng là một thành phố đặc biệt nhiều đầm hồ, dấu vết còn lại của các dòng sông cổ.Trong khu vực nội thành, hồ Tây có diện tích lớn nhất, khoảng 500

ha, đóng vai trò quan trọng trong khung cảnh đô thị, ngày nay được bao quanh bởi nhiều khách sạn, biệt thự Hồ Gươm nằm ở trung tâm lịch sử của thành phố, khu vực sầm uất nhất, luôn giữ một vị trí đặc biệt đối với Hà Nội Trong khu vực nội ô

có thể kể tới những hồ nổi tiếng khác như Trúc Bạch, Thiền Quang, Thủ Lệ Ngoài

ra, còn nhiều đầm hồ lớn nằm trên địa phận Hà Nội như Kim Liên, Liên Đàm, Ngải Sơn - Đồng Mô, Suối Hai, Mèo Gù, Xuân Khanh, Tuy Lai, Quan Sơn,

1.2.4 Khí hậu

Khí hậu Hà Nội tiêu biểu cho vùng Bắc Bộ với đặc điểm của khí hậu cận nhiệt đới ẩm, mùa hè nóng, mưa nhiều và mùa đông lạnh, ít mưa về đầu mùa và có mưa phùn về nửa cuối mùa Nằm về phía bắc của vành đai nhiệt đới, thành phố quanh nǎm tiếp nhận lượng bức xạ Mặt Trời rất dồi dào và có nhiệt độ cao Và do tác động của biển, Hà Nội có độ ẩm và lượng mưa khá lớn, trung bình 114 ngày mưa một năm Bảng 3 cho thấy dữ liệu về khí hậu Hà Nội giai đoạn 1898-1990

[26]

Một đặc điểm rõ nét của khí hậu Hà Nội là sự thay đổi và khác biệt của hai mùa nóng, lạnh Mùa nóng kéo dài từ tháng 5 tới tháng 9, kèm theo mưa nhiều, nhiệt độ trung bình 28,1 °C Từ tháng 11 tới tháng 3 năm sau là mùa đông với nhiệt

độ trung bình 18,6 °C Trong khoảng thời gian này số ngày nắng của thành phố xuống rất thấp, bầu trời thường xuyên bị che phủ bởi mây và sương, tháng 2 trung bình mỗi ngày chỉ có 1,8 giờ mặt trời chiếu sáng Cùng với hai thời kỳ chuyển tiếp vào tháng 4 (mùa xuân) và tháng 10 (mùa thu), thành phố có đủ bốn mùa xuân, hạ, thu và đông

Bảng 3 Dữ liệu khí hậu Hà Nội (1898-1990)[26]

năm Nhiệt

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại trung tâm thành phố

Hà Nội

Phạm vi nghiên cứu: Khu vực trung tâm thành phố Hà Nội gồm 12 quận nội

thành: Ba Đình, Đống Đa, Hoàn Kiếm, Tây Hồ, Long Biên, Cầu Giấy, Hai Bà Trưng, Hoàng Mai, Thanh Xuân, Hà Đông, Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Đảo nhiệt đô thị thường được nghiên cứu dựa trên hai phương pháp theo phân loại hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt và không khí Đối với hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt sử dụng ảnh viễn thám và đối với đảo nhiệt đô thị không khí sử dụng dữ liệu đo đạc trực tiếp Mỗi phương pháp này đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Đối với việc sử dụng ảnh viễn thám cho Hà Nội nghiên cứu sử dụng nguồn ảnh Landsat và hiệu chỉnh cho kênh nhiệt (6H, 6L) Tuy nhiên, cần phải có

dữ liệu quan trắc các giá trị nhiệt bề mặt đất trên diện rộng để kiểm chứng tại thời điểm vệ tinh bay chụp trong khu vực sớm hơn hoặc muộn hơn 10h sáng Do đó, trong nghiên cứu này sử dụng đồng thời phân tích các giá trị nhiệt độ không khí để

nội suy nhiệt độ khu vực nghiên cứu, từ đó kiểm chứng phân phối nhiệt từ hai

phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Thu thập tài liệu thứ cấp

Các tài liệu thứ cấp thu thập gồm dữ liệu khí tượng của khu vực nghiên cứu,

các nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam Hiện nay, đã có

rất nhiều nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại các khu đô thị lớn trên thế giới Tại TP HCM cũng đã có những nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích dữ liệu viễn thám về nhiệt độ bề mặt Còn ở Hà Nội đã có những ghi nhận về hiện tượng này của các nhà nghiên cứu Dựa vào đó, tác giả có thể tham khảo để phục vụ cho nghiên cứu

2.2.2 Phân tích các dữ liệu nhiệt độ không khí, vẽ đồ thị nhiệt

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp phân tích nhiệt độ không khí giữa khu vực nội thành Hà Nội và các khu vực lân cận nhằm đưa ra những dữ liệu nhiệt độ thực tế để cho thấy dấu hiệu của hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Hà Nội

Thêm vào đó, nghiên cứu cũng cần sử dụng phần mềm Excel 2007 trong nghiên cứu để hình ảnh hóa, thống kê các dữ liệu nhiệt độ không khí từ đó đưa ra những kết quả về diễn biến nhiệt độ, gió, độ ẩm Trong đó các dữ liệu khí tượng được sử dụng biểu diễn trên các biểu đồ có sự khác biệt số lượng trạm, không đồng nhất trên toàn nghiên cứu do giới hạn về số lượng dữ liệu tối đa mà tác giả có thể thu thập được theo Bảng 4

Các yếu tố khí tượng tại 8 trạm quan trắc, trong đó có 6 trạm tại Hà Nội gồm: Láng, Nguyễn Văn Cừ (bắt đầu hoạt động từ 2009), Hà Đông, Sơn Tây, Ba

Vì, Trạm Lăng (bắt đầu hoạt động từ 2012) và 2 trạm ngoại thành gồm Hải Dương

và Hà Nam được thu thập để phục vụ nghiên cứu này Các dữ liệu nhiệt độ này chủ yếu từ hai nguồn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia – số 8 Pháo đài Láng và Trung tâm Quan trắc Môi trường- Tổng cục Môi trường - số 556 Nguyễn Văn Cừ,

Hà Nội Đối tượng và dữ liệu nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 4

Bảng 4 Thống kê dữ liệu thời tiết sử dụng trong nghiên cứu

Stt Tên trạm

Dữ liệu theo giờ

Dữ liệu theo ngày

Dữ liệu theo tháng

2.2.3 Xây dựng bản đồ nhiệt, phân tích nội suy không gian nhiệt bề mặt bằng phần mềm Arc GIS 10.1

Đối với phương pháp nội suy bằng phần mềm Arc GIS 10.1 là xây dựng tập giá trị các điểm chưa biết từ tập điểm đã biết trên miền bao đóng của tập giá trị đã biết bằng một phương pháp hay một hàm toán học nào đó được xem như là quá trình nội suy Các dữ liệu nội suy có mối quan hệ không gian với nhau, tức là các

điểm gần nhau thì tương tự nhau nhiều hơn so với những điểm ở xa

Phương pháp nội suy không gian hiện nay được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Chẳng hạn như trong các Trung tâm dự báo về thời tiết (các bản đồ dự đoán xây dựng từ các trạm thuỷ văn) Sự quan trọng của phương pháp nội suy phụ thuộc vào diện tích vùng khảo sát bởi vì mục tiêu của sự nội suy không gian là xây dựng

bề mặt xấp xỉ tốt nhất với các dữ liệu thực nghiệm Chính vì vậy, với mỗi phương pháp nội suy được sử dụng thì độ chính xác phải đạt được tốt nhất

Có rất nhiều thuật toán sử dụng để nội suy không gian cho nhiệt độ, nhưng 3 phương pháp nội suy IDW, Spline, Kriging (phương pháp nội suy thống kê không gian) thường được lựa chọn cho nội suy dữ liệu nhiệt độ[16,18,20,21] và theo Jarvis

và Stuart (2001) đã kết luận rằng kết quả nội suy bằng ba phương pháp này cho kết quả tương tự nhau đối với yếu tố nhiệt độ tại Anh [16] Trong đó, đối với việc phân tích dữ liệu nhiệt độ sử dụng trên nền dữ liệu phẳng không có yếu tố hình học không gian về mặt địa hình nên tác giả lựa chọn phương pháp IDW là phương pháp đơn giản và phù hợp với những dữ liệu nhiệt độ cần phân tích

Phương pháp Inverse Distance Weight – IDW

Phương pháp IDW xác định các giá trị cell bằng cách tính trung bình các giá trị của các điểm mẫu trong vùng lân cận của mỗi cell Điểm càng gần điểm trung tâm (mà ta đang xác định) thì càng có ảnh hưởng nhiều hơn Chẳng hạn, khả năng tiêu dùng của khách hàng sẽ giảm theo khoảng cách

Công thức nội suy :

Trong đó dij là khoảng cách không gian giữa 2 điểm thứ i và thứ j, số mũ p càng cao thì mức độ ảnh hưởng của các điểm ở xa càng thấp và một số xem như không đáng kể, thông thường p = 2 [11]

2.2.4 Trích lọc giá trị nhiệt độ từ ảnh vệ tinh Lansat

Các kênh hồng ngoại nhiệt (kênh 6H và 6L) của dữ liệu ảnh Landsat cho nguồn thông tin quan trọng đối với đối tượng bề mặt có thể được trích lọc từ các kênh hồng ngoại nhiệt là giá trị nhiệt độ bề mặt và giá trị phát xạ Có nhiều thuật toán khác nhau để áp dụng trích lọc giá trị nhiệt bề mặt từ các dữ liệu hồng ngoại nhiệt (Landsat, ASTER, MODIS,…) Các nghiên cứu thực nghiệm theo Z.Li, F.Becker, M.Stoll và Z.Wang (1999) cho thấy, các thuật toán gần như ít chịu ảnh hưởng bởi các sai số hiệu chỉnh nhiễu thiết bị và sai số hiệu chỉnh hệ thống nhưng lại phụ thuộc nhiều vào các sai số hiệu chỉnh khí quyển [27] Theo kết quả nghiên cứu: ‘‘Trích lọc giá trị nhiệt bề mặt từ ảnh vệ tinh Landsat 7 EMT+’’ của Lê Văn Trung, Nguyễn Thanh Minh(2004), sử dụng thuật toán NOR là thuật toán cho kết quả phù hợp để trích lọc ảnh hồng ngoại nhiệt [3] Do đó, nghiên cứu lựa chọn thuật

toán NOR để trích lọc giá trị nhiệt bề mặt từ ảnh vệ tinh

Thuật toán NOR được phát triển đầu tiên bởi Gillespie (1985) Sau đó được

sử dụng trước tiên bởi Realmuto (1990) và tiếp đó là Gillespie và nnk (1998) Thuật toán này đưa ra giả thiết rằng: tồn tại một hằng số phát xạ chung cho các pixel tại một vị trí đã xác định trước tương ứng đối với tất cả N kênh nhiệt Do vậy, chúng ta

có thể xác định được N giá trị nhiệt bề mặt tại vị trí pixel xác định đó ở tất cả các kênh nhiệt dựa vào các giá trị bức xạ tương ứng của mỗi pixel Giá trị nhiệt bề mặt

Ts lớn nhất trong số N giá trị nhiệt đã tính được xem là giá trị nhiệt bề mặt cần xác định Công thức tính giá trị nhiệt bề mặt cũng dựa theo công thức như sau:

T s = B r -1

Trong đó:

Br : giá trị bức xạ bề mặt vật thể đen tuyệt đối ( ) tương ứng

ở nhiệt độ Ts Công thức Plank tính Br = C1/[ 5(exp(C2/ s) – 1)]

r : tổng hệ số truyền khí quyển trong kênh r

Dữ liệu các kênh hồng ngoại nhiệt Landsat ETM+ (các kênh phổ 6L, tương ứng với trạng thái low gain và 6H, tương ứng với trạng thái high gain) thu nhận từ

vệ tinh, sau khi đã thực hiện các định dạng lại, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh bức

xạ và hiệu chỉnh hình học sẽ được phân phối đến người sử dụng ở cấp độ 1G( L1G, Level 1 Geometrically Corrected) Ở cấp độ sản phẩm 1G, giá trị các pixel được lưu trữ ở định dạng số (DN, digital number) Vì thế, để thực hiện tính giá trị nhiệt bề mặt từ các kênh hồng ngoại nhiệt, người sử dụng cần thực hiện trình tự theo các bước sau:

Bước 1: Thực hiện tính chuyển các giá trị pixel từ định dạng số DN sang định dạng bức xạ theo công thức:

Radiance = L = (LMAX – LMIN)/255*DN + LMIN

Với các giá trị LMAX, LMIN được tính tương ứng với từng trạng thái gain

Kênh phổ Trạng thái low gain Trạng thái high gain

(theo đơn vị: W/m 2 *str* m)

Bước 2: Sau khi đã tính chuyển sang giá trị bức xạ L , áp dụng các thuật toán NOR để tính giá trị bề mặt LST tương ứng (giá trị nhiệt bề mặt lúc này được tính theo đơn vị Kelvin)

Bước 3: Thực hiện tính chuyển giá trị bề mặt LST từ đơn vị Kelvin về đơn vị Celcius(oC) theo công thức:

T o C = T(Kenvil) – 273.16

Phương pháp thực hiện tính giá trị nhiệt bề mặt LST từ các kênh hồng ngoại nhiệt Landsat ETM+ bằng phần mềm ENVI có thể được tóm tắt theo quy trình thực hiện như sau:

Hiện nay có các nguồn ảnh từ vệ tinh Landsat 4-5TM dừng hoạt động năm

2011 nên sẽ có nguồn ảnh sử dụng từ trước năm 2011 bằng vệ tinh này Landsat 7 vẫn hoạt động cho đến nay tuy nhiên cửa sổ chụp ảnh của vệ tinh này bị nhiễu nên tất cả các ảnh từ năm 2004 đến nay đều không thể sử dụng để trích lọc nhiệt bề mặt Hoặc Landsat 8 bắt đầu hoạt động sau năm 2013 nên có thể sử dụng ảnh từ năm

2013 đến nay bằng vệ tinh này

Đối với ảnh khu vực Hà Nội có thể sử dụng path/row : 127/25 có thể cắt được đầy đủ khu vực nội thành Hà Nội Tuy nhiên, đối với việc trích lọc bề mặt là việc sử dụng các phương pháp hiệu chỉnh lấy nguồn thông tin từ giá trị nhiệt độ bề mặt và giá trị phản xạ, nên đối với ảnh các ngày nhiều mây bắt đầu từ 20% trở lên không thể sử dụng để trích lọc nhiệt độ cho khu vực Hà Nội

Dựa vào dữ liệu ảnh từ các vệ tinh, điều kiện mây và thời gian nghiên cứu từ 1980-2013, nghiên cứu lựa chọn ảnh viễn thám chụp ngày 24 tháng 9 năm 2011 từ

vệ tinh Landsat 5 để trích lọc nhiệt độ bề mặt