Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ KHÍ QUYỂN TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC TRẦN PHÚC HƯNG HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ TRẦN PHÚC HƯNG CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC MÃ SỐ: 60440222 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN XN ANH HÀ NỘI, NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn chính: TS Nguyễn Xuân Anh Cán chấm phản biện 1: TS Phạm Thị Thanh Ngà Cán chấm phản biện 2: TS Thái Thị Thanh Minh Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 22 tháng năm 2018 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xác định thông số khí từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí” hoàn thành tháng năm 2018 trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Viện Vật lý Địa cầu, để hoàn thành nghiên cứu tác giả nhận nhiều giúp đỡ từ phía quan, nhà trường, gia đình bạn bè Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình ln sát cánh động viên suốt trình nghiên cứu làm luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Xuân Anh truyền đạt ý tưởng khoa học, trực tiếp hướng dẫn để tác giả thực hoàn thiện luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, truyền đạt kiến thức cần thiết trình học tập thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam tạo điều kiện thời gian công tác, học hành, cung cấp thiết bị LIDAR IGP để tác giả thực nghiên cứu luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới chương trình AERONET dự án MPLNET quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) cấp nguồn số liệu cho luận văn Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp sát cánh giúp đỡ q trình học tập, hồn thiện luận văn Trong q trình làm luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, ý kiến đóng góp quý báu, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp để hoàn thiện luận văn Xin trân trọng cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Phúc Hưng MỤC LỤC MỤC LỤC i TÓM TẮT LUẬN VĂN iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC 1.1 LIDAR 1.1.1 Kỹ thuật LIDAR 1.1.2 Lược sử công nghệ LIDAR 1.1.3 Hệ thống LIDAR 1.1.4 Phân loại ứng dụng LIDAR 1.1.5 Phương trình LIDAR 1.1.6 Tổng quan nghiên cứu khí sử dụng cơng nghệ LIDAR 1.2 Khí thơng số khí 1.2.1 Cấu trúc khí 1.2.2 Sự tán xạ hấp thụ ánh sáng khí 1.2.3 Các thơng số khí đo đạc LIDAR 10 i 1.2.4 Lớp biên hành tinh 12 1.3 Xon khí 13 1.3.1 Định nghĩa 13 1.3.2 Độ dày quang học xon khí 14 1.3.3 Các tác động xon khí 15 1.3.4 Quan trắc xon khí LIDAR 15 CHƯƠNG SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Số liệu 17 2.1.1 LIDAR 17 2.1.2 AERONET 23 2.1.3 Mơ hình khí tiêu chuẩn quốc tế (ISA) 25 2.1.4 Số liệu bóng thám khơng 26 2.2 Các phương pháp xác định thơng số khí 27 2.2.1 Xác định hệ số suy hao phương pháp độ dốc 27 2.2.2 Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao phương pháp điểm biên 28 2.2.3 Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Thuật tốn xác định thơng số khí từ số liệu LIDAR 34 3.1.1 Sơ đồ thuật tốn bước tính tốn 34 3.1.2 Chương trình tính 39 3.2 Xử lý số liệu phân tích đánh giá số trường hợp cụ thể 41 ii 3.2.1 Các thơng số khí đặc trưng xon khí quan trắc thiết bị LIDAR IGP 41 3.2.2 Quan trắc mây Ci LIDAR IGP ngày 25/12/2017 48 3.2.3 Độ cao lớp biên khí từ số liệu LIDAR MPLNET bóng thám khơng 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC I Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC II Error! Bookmark not defined iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Trần Phúc Hưng Lớp: CH2B.K Khoá: II Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Anh Tên đề tài: Nghiên cứu xác định thông số khí từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí Tóm tắt: Luận văn trình bày bước xử lý số liệu LIDAR theo phương pháp điểm biên (phương pháp Klett – Fernald) để tính tốn thơng số khí hệ số suy hao gây xon khí hệ số tán xạ ngược xon khí Các đối tượng khác khí độ cao lớp biên, độ cao lớp xon khí, phân bố xon khí khí xác định đánh giá dựa tín hiệu LIDAR xử lý thơng số khí tính tốn iv Hình Error! No text of specified style in document 18 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018 Kỳ quan trắc ngày 09/04/2018: Tiến trình xử lý tương tự kỳ quan trắc ngày 09/03/2018 Kết tính tốn độ cao lớp biên trung bình kỳ quan trắc phương pháp WCT số liệu LIDAR 994,4956m từ bóng thám khơng 789,2919m (Hình Error! No text of specified style in document 19 Hình Error! No text of specified style in document 20) 46 Hình Error! No text of specified style in document 19 Độ cao lớp biên khí (đường màu đỏ) tính tốn từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) Kết tính tốn hệ số suy hao cho thấy có lớp xon khí tồn khí quyển, tương tự với kỳ quan trắc ngày 09/03/2018 nhiên có khác biệt độ cao lớp Lớp thứ phía độ cao lớp biên khí quyển, lớp từ độ cao lớp biên khoảng 1,5km, lớp từ khoảng 1,5km khoảng 3km (Hình Error! No text of specified style in document 22) Độ dày quang học xon khí tính tốn, với xung đơn Hình Error! No text of specified style in document 21 cho thấy AOD tăng liên tục độ cao 3500m bắt đầu giữ mức ổn định, tổng AOD cho xung đơn 0.87, trung bình tổng AOD cho kỳ quan trắc đạt 0,77, số liệu AOD ngày từ AERONET 0,717 bước sóng 500nm (Hình Error! No text of specified style in document 23) 47 Hình Error! No text of specified style in document 20 Độ cao lớp biên khí tính từ số liệu LIDAR số liệu thám khơng kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 Hình Error! No text of specified style in document 21 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) tổng độ dày quang học xon khí (d) đo 18:44 ngày 09/04/2018 48 Hình Error! No text of specified style in document 22 Hệ số suy hao gây xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 49 Hình Error! No text of specified style in document 23 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018 3.1.4 Quan trắc mây Ci LIDAR IGP ngày 25/12/2017 Kỳ quan trắc thực khoảng 35 phút, chế độ đo trung bình 512 xung tương đương xung ghi lại số liệu trung bình 51,2 giây Do đặc tính số liệu cao lớn tỉ lệ nhiễu tín hiệu cao nên lỳ quan trắc mây Ci khuyếch đại sử dụng để khuếch đại tín hiệu, việc đồng nghĩa với tín hiệu mực thấp 1,5km khơng có ý nghĩa (Hình Error! No text of specified style in document 26a) Tuy nhiên nhờ việc sử dụng khuếch đại tín hiệu nên lớp mây Ci cao rõ dễ nhận biết (Hình Error! No text of specified style in document 24) 50 Hình Error! No text of specified style in document 24 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 Theo biểu đồ lát cát theo thời gian tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách cho kỳ quan trắc này, nhận thấy lớp mây Ci độ dày khoảng 700 m tồn từ khoảng km tới 9,7 km (Hình Error! No text of specified style in document 24) Theo kết tính tốn, hệ số suy hao lớp mây Ci đạt giá trị lớn khoảng 1x10-4/m độ cao khoảng 9400m (Hình Error! No text of specified style in document 25, Hình Error! No text of specified style in document 26) 51 Hình Error! No text of specified style in document 25 Hệ số suy hao xon khí kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017 Hình Error! No text of specified style in document 26 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) hệ số suy hao lọc nhiễu (d) đo 18:13 ngày 25/12/2018 52 3.1.5 Độ cao lớp biên khí từ số liệu LIDAR MPLNET bóng thám khơng Trên Hình Error! No text of specified style in document 27 Hình Error! No text of specified style in document 28 hai trường hợp cụ thể độ cao lớp biên tính tốn số liệu bóng thám khơng số liệu LIDAR MLPNET Kết cho thấy độ cao lớp biên tính tốn từ hai số liệu cho kết sai khác với không nhiều, có trường hợp cho sai khác nhỏ (00h00 UTC ngày 29/09/2012) Trong trường hợp ngày 01/06/2012, độ cao lớp biên lúc 00h UTC cho thấy giá trị cao với số liệu bóng thám khơng lúc 12h UTC cao với số liệu LIDAR MPLNET Với trường hợp ngày 29/09/2012 lúc 00h UTC độ cao lớp biên tính từ hai nguồn số liệu có độ sai khác khơng nhiều, khoảng 30 m, số liệu LIDAR cho độ cao lớn Tại 12h UTC cho thấy có sai lệch lớn (khoảng 400m) hai nguồn số liệu 53 Hình Error! No text of specified style in document 27 Độ cao lớp biên tính tốn số liệu bóng thám không số liệu LIDAR MLPNET ngày 01/06/2012 vào obs 00h (trái) 12h (phải) UTC Hình Error! No text of specified style in document 28 Độ cao lớp biên tính tốn số liệu bóng thám không số liệu LIDAR MLPNET ngày 29/09/2012 vào obs 00h (trái) 12h (phải) UTC 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn thực cơng việc xử lý tính tốn, phân thích đánh giá thơng số khí từ số liệu LIDAR cho số trường hợp cụ thể hai số liệu LIDAR MPLNET LIDAR IGP, kết thu được so sánh đánh giá với nguồn số liệu tham chiếu số liệu bóng thám khơng cho việc tính hệ số suy hao gây xon khí phương pháp điểm biên, tính độ cao lớp biên phương pháp biến đổi hiệp phương sai, số liệu AOD từ AERONET cho việc tính tốn AOD từ số liệu LIDAR IGP Các kết thu cụ thể sau: - Xây dựng thuật tốn chương trình xử lý số liệu cho hệ thống LIDAR IGP - Tính tốn phân tích thơng số khí cho số trường hợp nghiên cứu, cụ thể kỳ quan trắc xon khí ngày 09/03/2018 09/04/2018 thiết bị LIDAR IGP, độ dày quang học xon khí so sánh với số liệu từ máy đo quang phổ kế AERONET cho kết tốt vào kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 (LIDAR: 0.77 AERONET: 0.717), kỳ quan trắc lại cho kết có sau khác (LIDAR: 0.76 AERONET: 0.55) - Tính tốn phân tích trường hợp quan trắc mây Ci cao khu vực Hà Nội ngày 25/12/2017, lớp mây Ci quan trắc có độ dày khoảng 700m nằm độ cao từ km tói 9,7 km, phù hợp với đặc điểm khí hậu Việt Nam - Tính tốn độ cao lớp biên từ hai nguồn số liệu LIDAR bóng thám khơng, kết cho thấy có sai khác khơng nhiều hai số liệu 55 - Một số liệu LIDAR thành lập lưu trữ với định dạng NetCDF để phục vụ cho lưu trữ nghiên cứu sau Số lượng trường hợp cụ thể sử dụng luận văn chưa nhiều đa phần cho kết khả quan, cho thấy tin cậy số liệu thiết bị LIDAR quan trắc khí Với kết đạt luận văn trạng nghiên cứu ứng dụng LIDAR quan trắc khí nước cho thấy hạn chế thiết bị dẫn tới nhiều mảng quan trắc sử dụng LIDAR bỏ ngỏ, nghiên cứu cần có nâng cấp thiết bị tăng cường nghiên cứu chuyên sâu trình vi vật lý đối tượng khí quan trắc LIDAR để áp dụng công nghệ rộng rãi 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Elsevier, Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, in Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, G.R North, J Pyle, and F Zhang, Editors 2015, Elsevier Hulbert, E.O., Observations of a Searchlight Beam to an Altitude of 28 Kilometers J Optical Soc Amer, 1937 27 Fiocco, G and Smullin, L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60–140 km) by Optical Radar Nature, 1963 199: p 1275–1276 Ligda, M.G.H Meteorological observations with pulsed laser radar in The 1st Conferenceon Laser Technology 1963 San Diego, CA, U.S Navy ONR Fujii, T and Fukuchi, T., eds Laser Remote Sensing 2005, CRC Press Fernald, F.G., Herman, B.M., and Reagan, J.A., Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar J Appl Meteorol, 1972 11: p 482-489 Klett, J.D., Stable analytical inversion solution for processing lidar returns Appl Opt, 1981 20(2): p 211-220 Fernald, F.G., Analysis of atmospheric lidar observations: some comments Appl Opt, 1984 23(5): p 652 Brooks, I.M., Finding Boundary Layer Top: Application of a Wavelet Covariance Transform to Lidar Backscatter Profiles Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003 20(8): p 1092-1105 10 Chan, P.W., Determination of Backscatter-Extinction Coefficient Ratio for LIDAR-Retrieved Aerosol Optical Depth Based on Sunphotometer Data Remote Sensing, 2010 2(9): p 2127-2135 11 Porter, J.N., Lienert, B.R., Sharma, S.K., et al., A Small Portable Mie – Rayleigh Lidar System to Measure Aerosol Optical and Spatial Properties American Meteorological Society, 2002: p 1873-1877 12 Ware, J., Kort, E.A., DeCola, P., et al., Aerosol lidar observations of atmospheric mixing in Los Angeles: Climatology and implications for greenhouse gas observations J Geophys Res Atmos, 2016 121(16): p 9862-9878 57 13 Mei, L., Guan, P., Yang, Y., et al., Atmospheric extinction coefficient retrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidar technique Opt Express, 2017 25(16): p A628-A638 14 Liu, Q., He, Q., Fang, S., et al., Vertical distribution of ambient aerosol extinctive properties during haze and haze-free periods based on the Micro-Pulse Lidar observation in Shanghai Sci Total Environ, 2017 574: p 1502-1511 15 Anh, N.X and Quan, L.N., Nghiên cứu ứng dụng LIDAR nghiên cứu mây Ci Tuyển tập cơng trình nghiên cứu Viện Vật lý địa cầu 2008 16 Anh, N.X., Nghiên cứu đánh giá thông lượng đặc trưng sol khí (aerosol) đề xuất giải pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng cơng tác dự báo thời tiết, ứng phó biến đổi khí hậu bảo vệ mơi trường 2014 17 Thành, P.X., Anh, N.X., Trung, Đ.V., et al., Nghiên cứu thông số khí sử dụng quan trắc vệ tinh đo đạc LIDAR đánh giá ảnh hưởng khí lên chất lượng ảnh vệ tinh”, Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012 – 2015 2016 18 Tuan, A.D., Anh, N.X., and Hung, T.P., The Simulation of aerosol lidar developed at the Institute of Geophysics, in The International Conference on Research Development and Cooperation in Geophysics 2017, Publishing House For Science and Technology: Hanoi 19 Tuan, N.X., Trung, D.V., Binh, N.T., et al., Measurement of the Upper Tropospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi Using a Raman Lidar Communications in Physics, 2016 24(3S2) 20 Tuan, N.X., Trung, D.V., and Binh, N.T., Measurements of the Stratospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi by a Rayleigh Lidar.pdf Communications in Physics, 2014 24(3): p 247-256 21 Hai, B.V., Tuan, N.X., Hoang, N.D., et al., Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact lidar system with a high power diode laser at 905 nm, in The Third National Conference on Technical and Applied Physics 2013: Hue 22 Hai, B.V., Trung, D.V., Tuan, N.X., et al., Determination of atmospheric aerosol extinction profiles with a raman lidar system over Hanoi Advances in Optics, Spectroscopy and Applications VII 2012 58 23 Boubel, R.W., Fox, D.L., Turner, D.B., et al., Fundamentals of Air Pollution 3rd ed 1994: Academic Press 24 Ahrens, C.D., Essentials of Meteorology: An Invitation to the Atmosphere 6th ed 2010: Cengage Learning 25 Springer, Lidar Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere Springer Series in Optical Sciences, ed W.T Rhodes 2005: Springer 26 IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, T.F Stocker, D Qin, G.K Plattner, M Tignor, S.K Allen, J Boschung, A Nauels, Y Xia, V Bex and P.M Midgley, Editor 2013: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA 27 https://mplnet.gsfc.nasa.gov/ 28 https://aeronet.gsfc.nasa.gov/ 29 http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html 30 Kunz, G.J and de Leeuw, G., Inversion of lidar signals with the slope method Appl Opt, 1993 32(18): p 3249-56 31 Gamage, N and Hagelberg, C., Detection and Analysis of Microfronts and Associated Coherent Events Using Localized Transforms Journal of the Atmospheric Sciences, 1993 50(5): p 750-756 32 Heffter, J.L Transport layer depth calculations in The 2nd Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology 1980 New Orleans, La, USA 33 Kovalev, V.A and Eichinger, W.E., Elastic Lidar Theory, Practice, and Analysis Methods 2004: Wiley 34 Takamura, T and Sasano, Y., Aerosol optical properties inferred from simultaneous lidar, aerosol-counter, and sunphotometer measurements Meteorological Society of Japan Journal, 1990 68(Dec 1990): p 729739 35 Mattis, I., Müller, D., Ansmann, A., et al., Ten years of multiwavelength Raman lidar observations of free-tropospheric aerosol layers over central Europe: Geometrical properties and annual cycle Journal of Geophysical Research, 2008 113(D20) 59 ... nghiên cứu khác Các thơng số tính tốn từ số liệu LIDAR kể đến hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao xon khí, độ dày quang học khí quyển, tỉ số phân cực, hệ số hấp thụ loại hạt bụi khí Các thơng số. .. thơng số khí hệ số suy hao gây xon khí hệ số tán xạ ngược xon khí Các đối tượng khác khí độ cao lớp biên, độ cao lớp xon khí, phân bố xon khí khí xác định đánh giá dựa tín hiệu LIDAR xử lý thơng số. .. TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ KHÍ QUYỂN TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ TRẦN PHÚC HƯNG CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC MÃ SỐ: 60440222 NGƯỜI HƯỚNG DẪN