Mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của thành phố hà nội

Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không thấm MKT, đồng thời làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất, quỹ năng lượng ở bề mặt Trái Đất, thay đổi các tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH

ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT

CỦA TP HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

HÀ NỘI – 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH

ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT

CỦA TP HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Văn Cự

HÀ NỘI – 2013

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới PGS TS Phạm Văn Cự, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều

kiện cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các cán bộ Khoa Sau đại học - Đại học

Quốc Gia Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu biến đổi khí hậu toàn cầu, các

bạn bè, đồng nghiệp, người thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tôi

trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tuy đã cố gắng nhưng do thời gian và điều kiện có hạn nên không tránh khỏi

những thiếu sót Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2013 Học viên

Nguyễn Thị Bích Ngọc

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 12

1.1 Nhiệt độ bề mặt 12

1.1.1 Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt 12

1.1.2 Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt 15

1.2 Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị 19

1.2.1 Định nghĩa 19

1.2.2 Các đặc trưng vật lý của Mặt không thấm 20

1.3 Cơ sở lý thuyết liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị 23

1.3.1 Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lượng bức xạTrái Đất 23

1.3.2 Đảo nhiệt đô thị [7] 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1.Khu vực nghiên cứu 29

2.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên [10] 29

2.1.2 Tình hình phát triển đô thị Hà Nội [10] 30

2.2 Cơ sở dữ liệu 35

2.2.1 Tiêu chí chọn dữ liệu viễn thám 35

2.2.2 Các dữ liệu khác 37

2.2.3 Phân tích và xử lý dữ liệu 37

2.3 Phương pháp nghiên cứu 38

2.3.1 Tiền xử lý ảnh 38

2.3.2 Tính chỉ số thực vật NDVI 39

2.3.3 Phương pháp tính nhiệt độ bề mặt 40

2.3.4 Phân tích lớp phủ 41

2.3.5 So sánh kết quả với số liệu khí tượng 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Biến đổi đô thị và mặt không thấm 43

3.2 Biến đổi chỉ số thức vật NDVI 48

3.3 Biến đổi nhiệt độ đô thị giai đoạn 1993-2009 49

3.4 Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại đất phủ khác nhau 53

3.5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số NDVI 54

3.6 Biến đổi nhiệt độ không khí từ số đo trạm khí tượng mặt đất 55

3.6.1 Biến thiên nhiệt độ không khí trung bình năm 56

3.6.2 Đảo nhiệt đô thị trung bình năm 57

3.6.3 Đảo nhiệt đô thị trung bình tháng 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

IFOV Trường nhìn tức thời (Instantaneous Field of View)

IS Biến số phần trăm diện tích mặt không thấm

GCPs Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points)

LST Nhiệt độ bề mặt lớp phủ (Land Surface Temperature)

LSE Độ phát xạ bề mặt lớp phủ (Land Surface Emissivity)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+ 14 Bảng 2 1: Ảnh vệ tinh đƣợc sử dụng trong luận văn 45 Bảng 3 1: Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận

4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009 53 Bảng 3 2 : Nhiệt độ trung bình hàng năm của các trạm quan trắc trong 30 năm 56 Bảng 3 3 : So sánh nhiệt độ không khí trung bình năm giữa trạm Láng và các trạm lân cận 58 Bảng 3 4 : So sánh nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1: Sự cân bằng năng lượng trong hệ thống khí hậu 12

Hình 1 2 : Đường đi của năng lượng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh 13

Hình 1 3: Phân loại sóng điện từ 15

Hình 1 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt 16

Hình 1 5: Quá trình đảo nhiệt đô thị 24

Hình 1 6 Mặt cắt đứng của một UHI điển hình 25

Hình 1 7 : Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong chu kỳ ngày đêm 27

Hình 2 1: Vị trí khu vực nghiên cứu 29

Hình 2 2 Bản đồ Hồng Đức 1470 (do Biệt Lãm vẽ lại năm 1956) 31

Hình 2 3: Bản đồ quy hoạch thành phố Hà Nội từ 1873-1943 32

Hình 2 4: Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 – 1964 và 1978 – 1982 33

Hình 2 5: Bản đồ quy hoạch Hà Nội các năm 1992, 1996, 1998 34

Hình 3 1: Bản đồ phân bố không gian đô thị TP Hà Nội tại thời điểm chụp qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám 45

Hình 3.2: Biểu đồ tăng trưởng diện tích không gian đô thị giai đoạn 45

Hình 3 3: Bản đồ biến động không gian đô thị 48

Hình 3 4: Chỉ số thực vật các quận, huyện năm 1993, 2000, 2005, 2009 49

Hình 3 5: Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TP Hà Nội trên 4 năm ảnh vệ tinh tại thời điểm chụp 51

Hình 3 6: Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình toàn TP Hà Nội theo 4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009 52

Hình 3 7: Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực nội đô theo 53

Hình 3 8: Nhiệt độ bề mặt trung bình của các kiểu bề mặt đất trên 4 năm 54

Hình 3 9: Chỉ số NDVI các quận huyện 55

Hình 3 10: Nhiệt độ bề mặt trung bình các quận huyện 55

Hình 3 11: Vị trí các trạm khí tượng 55

Hình 3 12: Nhiệt độ không khí trung bình trạm Láng qua từng giai đoạn 56

Hình 3 13: So sánh nhiệt độ trung bình trong 3 thời kì của 8 trạm 57

Hình 3.14: So sánh nhiệt độ trung bình năm giữa trạm Láng và Ba Vì 58

Hình 3.15: So sánh nhiệt độ trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì 59

MỞ ĐẦU

Sự phát triển các thành phố lớn gây ra thay đổi bề mặt phủ và các tác động khác, bao gồm thay đổi thời tiết và khí hậu Sự phát triển của các thành phố theo sau quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa trong những thập kỉ gần đây, là một trong những vấn đề quan trọng được thảo luận trong Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu Các tác động của con người đến thảm thực vật

có thể ảnh hưởng đến khí hậu của địa phương, khu vực và thậm chí toàn cầu,

do sự thay đổi của dòng nhiệt và sự phân phối năng lượng trong hệ thống khí hậu [11]

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã nhận ra các hoạt động của con người làm thay đổi bề mặt phủ, thay đổi sử dụng đất gây tác động lớn đối với khí hậu khu vực [43]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đô thị hóa (ĐTH) dẫn đến mở rộng không gian đô thị theo nhu cầu phát triển về nhà ở cũng như các khu vực phục vụ cuộc sống Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không thấm (MKT), đồng thời làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất, quỹ năng lượng

ở bề mặt Trái Đất, thay đổi các tính chất tuần hoàn của khí quyển xung quanh, tạo ra một lượng lớn nhiệt thải từ các hoạt động nhân sinh và dẫn đến một loạt các thay đổi trong hệ thống môi trường đô thị [27] Các công trình xây dựng hình thành do quá trình đô thị hoá làm tăng độ gồ ghề, làm giảm tốc độ gió lớp sát mặt, cản trở vận chuyển nhiệt ngang, gây hiệu ứng bẫy nhiệt giữa các tường nhà dẫn đến việc gia tăng nhiệt độ đô thị Có nhiều yếu tố đóng góp vào việc hình thành đảo nhiệt đô thị, nhưng yếu tố đầu tiên là sự suy giảm lớp phủ thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến cho lượng nước đi vào khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên Các MKT tập trung thu nhận bức xạ Mặt Trời ở bề mặt và có thể cực tiểu hóa chuyển tải năng lượng đó đi hướng lên (qua sự phản xạ và đối lưu), đi xuống (qua sự truyền dẫn) hoặc đi ngang (qua sự bình lưu và truyền dẫn) Hiệu ứng này hầu hết bắt nguồn gần bề mặt Trái Đất và sẽ lan truyền lên trên vào trong khí quyển

Các tác động của ĐTH lên môi trường nhiệt tạo ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) Hà Nội là một trong hai trung tâm đô thị có tỉ lệ đô thị hóa lớn nhất

cả nước [10] đồng nghĩa với việc tăng diện tích bề mặt không thấm và giảm

diện tích cây xanh Đây là nguyên nhân gây nên việc gia tăng hiện tượng đảo nhiệt đô thị ở khu vực Hà Nội

Nghiên cứu về nhiệt bề mặt và đảo nhiệt đô thị ở VN hiện vẫn còn hạn chế

và chỉ dựa vào dữ liệu ghi lại từ các trạm khí tượng trên mặt đất Số liệu từ các trạm khí tượng được đo hàng ngày và nhiều đợt, trong thời gian dài, nhưng chỉ phản ánh được nhiệt độ khu vực xung quanh các trạm đo, do đó không đảm bảo chính xác cho toàn vùng.Trong khi đó, mặc dù độ phân giải thời gian thấp và ghi chép lịch sử ngắn hơn, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp các phương tiện

để thu được các quan sát đồng nhất và thường xuyên về phản xạ và phát xạ của bức xạ từ mặt đất ở tỷ lệ từ vĩ mô đến vi mô với độ phân giải không gian từ thấp đến cao Ngoài ra, viễn thám nhiệt có khả năng thực hiện phân tích chi tiết sự thay đổi nhiệt độ bề mặt cho một vùng mà không bị hạn chế bởi số điểm đo như trạm khí tượng Có thể kết hợp phân tích nhiệt từ ảnh viễn thám và số liệu quan trắc thời tiết tại các trạm khí tượng để thiết lập mối liên kết giữa nhiệt độ bề mặt

và sự thay đổi hiện trạng bề mặt đất Bên cạnh đó sự hình thành đảo nhiệt trên các bề mặt đô thị (SUHI) cũng sẽ được phát hiện và có khả năng định lượng tốt hơn [9]

Hiện nay, tư liệu viễn thám được sử dụng trong nhiều lĩnh vực Tư liệu viễn thám có ưu điểm là giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý trên diện rộng Công nghệ viễn thám là phương pháp tiếp cận hiệu quả trong việc quan trắc môi trường, phân tích các mô hình phát triển đô thị và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến khí hậu khu vực đô thị Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ước tính nhiệt bề mặt đô thị có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, chứ không chỉ là số đo tại điểm quan trắc trong phương pháp đo đạc truyền thống

Từ những hiểu biết về hiện tượng đảo nhiệt đô thị và quá trình đô thị hóa

ở thủ đô Hà Nội, học viên đã đặt ra câu hỏi:

- Quá trình đô thị hóa diễn ra ở thủ đô Hà Nội ảnh hưởng như thế nào đến hiện tượng đảo nhiệt đô thị

- Lớp phủ bề mặt đất tác động như thế nào đến hiện tượng UHI

Đề tài nghiên cứu “Mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của TP Hà Nội” nhằm xác định mối

quan hệ giữa lớp phủ thực vật và nhiệt độ, mối liên quan đến hiện tượng đảo nhiệt đô thị trong điều kiện khí hậu biến đổi hiện nay

Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc giảm nhẹ hiện tượng đảo nhiệt đô thị bằng lớp phủ thực vật, góp phần vào các nỗ lực được thực hiện để phát triển môi trường sống đô thị và các thành phố thích ứng với biến đổi khí hậu toàn cầu

Trong nghiên cứu, học viên sử dụng bộ dữ liệu vệ tinh Landsat cùng với các dữ liệu trạm thời tiết để hiểu được mối quan hệ giữa thảm thực vật, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí

1 Mục tiêu của luận văn:

Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt

độ đô thị và lớp phủ thực vật của Hà Nội trong giai đoạn 1993- 2009 bằng công nghệ viễn thám

Để thực hiện mục tiêu trên, đề tài phải giải quyết những nhiệm vụ sau:

- Tổng quan về đô thị và hình thái không gian đô thị và về phương pháp viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu đô thị

- Xử lý dữ liệu viễn thám

- Sử dụng phương pháp phân tích không gian nghiên cứu hình thành phát triển đô thị Hà Nội

- Tính nhiệt độ bề mặt

- Tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và bề mặt phủ

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: là nhiệt độ bề mặt đối tượng trích xuất từ ảnh vệ tinh có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m đến 120m nhằm làm rõ ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa đến biến đổi nhiệt độ thông qua đảo nhiệt đô thị Phạm vi nghiên cứu và giới hạn:

Về không gian: Khu vực Hà Nội

Về thời gian: Giai đoạn 1993 đến 2009

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích ảnh viễn thám

- Phương pháp phân tích thống kê: Được sử dụng để phân tích, xử lý các

Chương 2: Cơ sở dữ liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Nhiệt độ bề mặt

1.1.1 Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt

Nhiệt độ bề mặt đất( LST) được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển [40] Phần lớn bức xạ mặt trời đều được hấp thụ bởi bề mặt đất Sau đó, bề mặt Trái Đất lại bức xạ vào khí quyển và không gian Sự cân bằng của lượng bức xạ mặt trời bị hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: khả năng truyền dẫn của không khí và sự hấp thụ của vật liệu bề mặt

Nhiệt độ bề mặt đất duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt Trời, bức xạ sóng dài, thành phần thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lượng nhiệt đi vào mặt đất Vì vậy, LST là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lượng ở bề mặt Trái Đất

(Kiehl và Trenberth, 1997)

Sự cân bằng bức xạ này phụ thuộc vào các đặc trưng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nước, mây, các phần tử khác, ví dụ các khí nhà kính như CO2… Nồng độ của các khí này đang tăng lên góp phần vào việc thay đổi khí

Hình 1 1: Sự cân bằng năng lượng trong hệ thống khí hậu

hậu Vì vậy, nhu cầu đo lường liên tục LST ở quy mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu được để đặc trưng các thay đổi khí hậu

Với những khu vực lớn và khu vực không thể đến được, việc đo lường LST chỉ có thể được trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề mặt Trái Đất Viễn thám có thể đo lường các đặc tính nhiệt của bề mặt lớp phủ hoặc khí quyển như bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán xạ hay truyền dẫn Các thiết bị thụ động như bức xạ kế, cảm nhận phát xạ từ đối tượng và trong các dải bước sóng thích hợp, có thể được dùng để suy diễn nhiệt độ từ các bức xạ đo được [3]

Viễn thám thụ động đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc vào trường nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV- instantaneous field of view) đặt trên vệ tinh

(TNT, 1998)

Hình 1 2 : Đường đi của năng lượng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh

Vùng bước sóng điện từ 3- 35μm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ

và ước tính nhiệt độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8- 14μm Các

bộ cảm biến thu nhận ảnh có chứa kênh hồng ngoại nhiệt có thể kể đến như AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên

Trong nghiên cứu đô thị thường yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến như LANDSAT

Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác nhau Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat-4

và -5 và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat-7 được sử dụng phổ biến nhất

Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km Các giá trị pixel được mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 0 ÷ 255 Vệ tinh Landsat được trang bị bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus)

Bảng 1 1: Đặc trưng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+

đồ nhiệt độ bề mặt đất, giúp cho việc giám sát hiệu quả hiệu ứng nhà kính, tác động của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng nhiệt độ cũng như diễn biến trạng thái nhiệt độ trong những khoảng thời gian khác nhau ở những khu vực khác nhau

Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat mặc dù có độ phân giải thấp hơn ảnh các

bộ cảm biến khác nhưng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng Trong nghiên cứu ước tính nhiệt độ bề mặt đô thị có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả

được thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng

1.1.2 Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt

Trong vùng hồng ngoại nhiệt, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này được dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất

Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cường độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm [4] do có

sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất [5]

Kênh hồng ngoại nhiệt được sử dụng để xác định nhiệt bề mặt

Hình 1 3: Phân loại sóng điện từ

( Phạm Văn Cự, 2006)

Hình 1 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt

Phần lớn năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bước sóng 10.5-12.5 μm, và được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác [5], [6],[7] Các bộ cảm biến thu nhận dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm theo bức xạ phát ra một cách

Ước tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định[8] Các giả thiết thường liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế

Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các

bộ cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt được truyền qua khí quyển (τεBλ); (2) bức xạ hướng dưới được phát ra bởi khí quyển được phản xạ bởi bề mặt và truyền qua khí quyển đến bộ cảm (τ(1-ε)Lλ↓) và (3) phát xạ từ khí quyển được truyền qua khí quyển ở trên điểm phát xạ (Lλ↑)

Minh họa điều này qua phương trình truyền bức xạ như sau:

Lsensor, λ = τ [ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓] + Lλ↑(1)

Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ

Thành phần (2) và (3) phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển Các thông số này thường được đo đạc đồng thời cùng lúc thu nhận ảnh từ vệ tinh, dùng để hiệu chỉnh khí quyển cho các bài toán liên quan bằng các mô hình như MODTRAN, ATCOR Thực tế các số đo điều kiện khí quyển không sẵn có, do

đó việc hiệu chỉnh khí quyển cho việc khôi phục lại các số đo mặt đất là một việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ vào một thời điểm bất kỳ và thường bỏ qua trong một số nghiên cứu ứng dụng

Trong công thức (1), bức xạ bề mặt đất Rλ được đo trong kênh bước sóng λ gồm hai thành phần: Rλ = ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓(2)

Do nhiệt độ khí quyển thường thấp hơn nhiệt độ mặt đất nên phần mặt đất hấp thụ được bức xạ phát ra từ khí quyển ((1 - ε) Lλ↓) thường rất nhỏ so với phần phát xạ của mặt đất Thực tế tính toán, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ

bề mặt sẽ được biểu diễn gần đúng như sau:

[9]: Rλ = ε Bλ(3)

Nghiên cứu đầu tiên về đảo nhiệt đô thị đã được tiến hành vào những năm

1920 bởi nhà nghiên cứu tên Luke Howard quan sát thấy nhiệt độ ở London cao hơn so với các khu vực xung quanh và bắt đầu tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra nguyên nhân cho vấn đề này Từ đó đến nay, hiện tượng đảo nhiệt đô thị vẫn luôn là một đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà khí hậu học; nhiều nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đãđượctiến hành tại các thành phố như London, Vancouver, Tel Aviv, Singapore, Athens, Seoul và cả Melbourne Những nghiên cứu này, đã chỉ ra rằng hiện tượng đảo nhiệt đô thị, được định nghĩa như là sự chênh lệch giữa nhiệt độ của các vùng nông thông xung quanh với thành phố, là do ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố như: Trao đổi bức xạ

(bao gồm bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất), Hoạt đông của gió, mật độ và loại cây xanh, vật liệu (tính chất về nhiệt và khả năng hấp thụ nước của vật liệu), Những hoạt động phát thải nhiệt của con người

Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ bề mặt đất (LST) được phát triển

từ những năm 1980 Trong những năm gần đây, cùng với việc nâng cấp độ phân giải không gian và thời gian của các cảm biến cũng như sự cải tiến của những cảm biến khí quyển, công nghệ để đo đạc LST cũng được cải tiến [39] Trong phạm vi nghiên cứu toàn cầu, ảnh MODIS được sử dụng để định lượng và giám sát LST [40], đánh giá LST ở các thành phố lớn [39] Những nghiên cứu này sử dụng các ảnh có độ phân giải thời gian cao và độ che phủ rộng của cảm biến MODIS để đánh giá nhiệt độ bề mặt đô thị của các thành phố lớn trên thế giới Trần Hùng và cộng sự năm 2005 đã nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI) ở 8 thành phố châu Á bao gồm: Tokyo, Bắc Kinh, Thượng Hải, Seoul, Manila và Hồ Chí Minh Sự biến đổi về không gian của UHI ở mỗi thành phố phụ thuộc vào bề mặt che phủ của đô thị, đặc trưng bởi cây xanh và mật độ xây dựng

Năm 2007, Jusuf và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ che phủ đất đến UHI ở Singapor bằng cách sử dụng dữ liệu Landsat ETM+ và dữ liệu điều tra lưu động Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của từng loại đất đến nhiệt độ đô thị cả ban ngày và ban đêm Vào ban ngày, nhiệt độ khu vực công nghiệp và trung tâm thương mại đạt trung bình là 36,9o

C và 38.3oC

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt trong việc ước tính giá trị nhiệt độ cho khu vực đô thị Trần Thị Vân (2010) và Le Anh Quan (2012) đã sử dụng Landsat ETM+ nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dưới tác động của sự thay đổi lớp phủ đất tại thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Các nghiên cứu chỉ ra mối tương quan giữa hiện tượng UHI với việc mở rộng các khu đô thị Diện tích mặt không thấm tăng làm nhiệt độ tăng đồng thời với việc giảm mặt nước và lớp phủ thực vật Đây là bằng chứng rõ ràng của tác động đô thị hóa đến sự thay đổi khí hậu

đô thị

1.2 Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị

1.2.1 Định nghĩa

Tính không thấm nước (Imperviousness) là đơn vị vật lý [9], đặc trưng bởi

sự đóng kín bề mặt từ các vật liệu xây dựng và ngăn cản sự thấm thấu nước vào trong lòng đất Các MKT là các mặt xây dựng nhân tạo như mái nhà, lối đi bộ, đường giao thông, bãi đỗ, kho chứa được phủ bởi các vật liệu không thấm như nhựa đường, bê tông, đá và các vật liệu xây dựng [10] Đây là yếu tố chỉ thị rất hữu ích dùng để tính tác động của phát triển đất đai lên cảnh quan

MKT là các mặt nhân tạo, là một yếu tố chỉ thị đô thị và môi trường do có liên quan đến việc xây dựng nên chúng Các MKT này làm thay đổi tính chất khí hậu đô thị và nguồn tài nguyên nước Nước mưa chảy tràn trên các MKT đô thị, thậm chí mưa lớn có thể xảy ra lũ quét Sự chảy tràn nhanh và khan hiếm thực vật trên các bề mặt này cũng làm giảm lượng nước bốc thoát hơi Năng lượng Mặt Trời đến bề mặt nhiều, thay vì có thể được dùng để bốc hơi nước, lại được chuyển đổi thành nhiệt hiện Điều này làm tăng đáng kể nhiệt độ các bề mặt này

và của lớp không khí bên trên Các MKT ở đô thị có tính dẫn nhiệt và khả năng lưu giữ nhiệt cao so với các mặt thấm có lớp phủ thực vật Sự khác biệt trong các đặc tính nhiệt của các vật liệu bề mặt ở khu đô thị so với các khu vực thấm nước tự nhiên có ý nghĩa sâu sắc không chỉ đối với nền vi khí hậu mà còn đối với sức khỏe của sông suối trong lưu vực Nhiều loại chất ô nhiễm, xuất phát từ nhiều nguồn, tích lũy trên các MKT đô thị Sau đó chúng được cuốn trôi vào các khối nước, làm thoái hóa chất lượng nước nghiêm trọng và làm hại đến đời sống thủy sinh Hơn nữa, nhiệt độ dòng chảy tràn nước mưa vào mùa hè có thể tăng lên đột ngột qua sự dẫn nhiệt từ các MKT Các hình thức ô nhiễm nước này xảy

ra trên các khu đất rộng lớn hình thành nên vùng ô nhiễm

Các quá trình đô thị hóa ở các thành phố thường liên quan đến các MKT, bởi vì chúng liên quan đến quá trình bê tông hóa bề mặt Xét về góc độ sử dụng đất, chúng liên kết thích hợp với các kiểu thực phủ đô thị và biến động thực phủ Trong việc ra quyết định sử dụng đất ở khu vực đô thị hóa, cần phải xem xét các MKT vì các nguyên nhân sau:

- Đô thị hóa làm thay đổi sâu sắc các chu kỳ thủy văn và chất lượng nước cục bộ của một lưu vực

- Các đặc tính nhiệt và phản xạ của các MKT được liên kết với hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (urban heat island), mà nó ảnh hưởng đến sự tiện nghi và sức khoẻ của con người do sự thay đổi các dòng thông lượng nhiệt hiện và nồng độ các chất ô nhiễm Nhiệt độ nước chảy tràn nóng ấm làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước sông, làm cho đời sống thủy sinh khó khăn hơn

- Việc tăng tính không thấm tương quan với sự thay đổi tính chất mỹ học của cảnh quan một khu vực, chỉ thị một sự dịch chuyển từ cảnh quan rừng và nông thôn sang môi trường đô thị Đây cũng là thước đo của sự phát triển đô thị trực tiếp và không trực tiếp (do bành trướng đô thị) Các thay đổi này ảnh hưởng đến chất lượng đời sống của các cư dân ở bên trong khu vực [10]

1.2.2 Các đặc trưng vật lý của Mặt không thấm

Sự phát triển đô thị làm thay đổi đất từ rừng, cỏ và đất trồng trọt sang các MKT, làm cho các cân bằng giữa năng lượng Mặt Trời đến và đi khỏi mặt đất cũng thay đổi Bức xạ Mặt Trời đạt đến bề mặt Trái Đất bị phản xạ, hấp thụ và chuyển đổi sang nhiệt hiện hoặc được dùng trong bốc thoát hơi nước Trong đó, một phần trăm rất nhỏ của bức xạ Mặt Trời được dùng trong quang hợp Khí quyển được đốt nóng chủ yếu bởi năng lượng bức xạ từ bề mặt Trái Đất chứ không phải nhiệt trực tiếp từ Mặt Trời Vì vậy, các vật liệu bề mặt sẽ tác động đến lượng bức xạ Mặt Trời bị phản xạ hay hấp thụ, và cũng ảnh hưởng đến dòng nhiệt từ bề mặt đất vào khí quyển Lần lượt, điều này ảnh hưởng đến nhiệt độ và

độ ẩm của không khí lớp trên

Sự chuyển đổi các mặt thấm sang MKT làm thay đổi cân bằng năng lượng qua các thay đổi:

- Albedo của các bề mặt;

- Nhiệt dung riêng và tính dẫn nhiệt của các bề mặt;

- Tỷ số nhiệt hiện trên nhiệt ẩn truyền từ bề mặt vào khí quyển

năng lượng được hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng nhiệt Nhiều kiểu bề mặt thường được tìm thấy trong các lưu vực đều có đặc tính phản xạ khác nhau

và tỷ lệ MKT cao làm thay đổi sâu sắc tỷ lệ năng lượng Mặt Trời đến bị phản xạ hay hấp thụ Do đô thị hóa, albedo tổng cộng của các MKT đô thị khoảng 10% ít hơn của các bề mặt nông thôn [43], dẫn đến là phần trăm bức xạ hấp thụ cao hơn

Nhiệt dung riêng và tính dẫn nhiệt

Các vật liệu bề mặt khác nhau phân biệt bởi: Tổng năng lượng nhiệt chúng

có thể lưu giữ; Khả năng dẫn nhiệt của chúng Một vài vật chất, ví dụ nước, có thể hấp thụ và lưu giữ đáng kể năng lượng trước khi tăng nhệt độ; tương tự các vật chất này có thể mất nhiều năng lượng trước khi giảm nhiệt độ Ngược lại, một vài vật chất trải qua sự tăng hoặc giảm nhanh chóng nhiệt độ với việc thu được hay mất đi một lượng năng lượng khá nhỏ Mối quan hệ này giữa năng lượng nhiệt và nhiệt độ có liên quan đến nhiệt dung riêng của vật chất1 Các vật liệu xây dựng như gạch, bê tông, đá, cát có nhiệt dung càng thấp thì chỉ cần một lượng nhiệt nhỏ đốt nóng cũng có thể làm tăng cao nhiệt độ ngay tức khắc

Sự dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt quan trọng ở bề mặt Trái Đất Một khi năng lượng bức xạ được hấp thụ và chuyển sang nhiệt hiện, nó được truyền bằng sự dẫn nhiệt đến các khu vực nhiệt độ thấp hơn trong không khí và đất xung quanh Nhiệt bề mặt được dẫn vào trong đất là nơi sẽ lưu giữ và phát ra lại Tính dẫn nhiệt nhanh có thể làm cho nhiệt thấm sâu hơn Chất rắn thường là vật dẫn nhiệt tốt hơn chất lỏng và chất lỏng dẫn nhiệt tốt hơn khí Các MKT đô thị dày đặc như bê tông, đá và nhựa đường, dẫn nhiệt hiệu quả hơn và hấp thụ nhiệt nhiều hơn các mặt thấm mà chúng đã thay thế [10] Nước chứa trong cỏ và đất

có nhiệt dung riêng cao so với nhựa đường, vì vậy nhiệt độ của cỏ không tăng nhanh như là của bãi đỗ Nhiệt độ ngày của các MKT đô thị trong suốt mùa hè

có thể rất nóng Tuy nhiên, không khí là vật dẫn nhiệt kém, nếu không thì nhiệt

độ không khí trên các bề mặt này sẽ khó chịu và nguy hiểm hơn cho sức khoẻ con người

Các tỷ số của nhiệt hiện / nhiệt ẩn

Năng lượng nhiệt ở mặt đất đi vào khí quyển ở dạng nhiệt hiện hoặc nhiệt

ẩn Nhiệt hiện là năng lượng hồng ngoại có thể được cảm nhận và đo bằng nhiệt

kế 1 là lượng năng lượng yêu cầu để làm tăng nhiệt độ của 1g vật chất lên 1oC

hoặc là tỷ số của phần năng lượng thu được hay mất đi trên số tăng hay giảm nhiệt độ tương ứng

Năng lượng này không được dùng để hóa hơi nước mà được phát vào khí quyển Năng lượng vào khí quyển càng nhiều dưới dạng nhiệt hiện, thì nhiệt độ không khí tương đối trên các bề mặt càng cao Ẩn nhiệt là năng lượng được lưu giữ ở dạng hơi nước và được dùng để bốc hơi nước Sự bốc hơi là quá trình làm lạnh và làm giảm nhiệt độ bề mặt của đất Ẩn nhiệt đi vào khí quyển khi nước được bốc hơi từ bề mặt Chính sự ngưng tụ làm phóng thích nhiệt ẩn vào khí quyển dưới dạng nhiệt hiện Ẩn nhiệt không thể cảm nhận và đo bằng nhiệt kế Mối quan hệ giữa nhiệt hiện và nhiệt ẩn được mô tả bằng tỷ số Bowen và chỉ số nhiệt hiện [11] và được biểu diễn theo lý thuyết như sau:

B = SH / LH SHI = B / (B + 1) = SH / (SH + LH) Trong đó, B - tỷ số Bowen, SHI – chỉ số nhiệt hiện, SH – nhiệt hiện, LH - nhiệt

ẩn

Chỉ số nhiệt hiện thể hiện phần trăm của tổng năng lượng nhiệt (ở bề mặt) được dùng để làm tăng nhiệt độ không khí (bên trên) Giá trị chỉ số càng cao, phần trăm năng lượng sẵn có dùng cho nhiệt hiện càng lớn Ngược lại, giá trị chỉ số càng thấp chỉ thị các dòng thông lượng nhiệt ẩn vào khí quyển càng cao, nghĩa

là việc làm lạnh do bốc hơi ở bề mặt lớn hơn Hơn nữa, các chỉ số nhiệt hiện của các bề mặt sa mạc và đô thị có giá trị gần nhau hơn so với của các bề mặt đô thị

và đồng cỏ hay rừng Do đó, nhiệt độ ở các khu đô thị hóa cao hơn là ở các khu nông thôn

Nói chung, các MKT có albedo thấp hơn, nhiệt dung riêng thấp hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn so với các mặt tự nhiên, cùng với việc làm lạnh do bốc hơi nước bị giảm, làm tăng nhiệt độ ngày trên các khu đô thị, đặc biệt suốt mùa hè Các yếu tố này đóng góp vào hiện tượng gọi là “đảo nhiệt đô thị” Việc chuyển đổi không kiểm soát lớp phủ đất từ thấm thấu sang không thấm là một mối đe dọa nghiêm trọng đến sự thống nhất của môi trường tự nhiên và xây dựng trong một lưu vực và đe doạ đến chất lượng cuộc sống của cư dân trong quá trình phát triển và đô thị hóa

Phạm vi không gian và sự thay đổi các MKT ảnh hưởng đến khí hậu đô thị

do thay đổi các thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn trong vòng bề mặt đô thị và các lớp biên khí quyển Vì vậy, sử dụng MKT như là yếu tố chỉ thị để nhận dạng quy mô không gian và cường độ phát triển đô thị trong quá trình đô thị hóa là hoàn toàn phù hợp [3]

1.3 Cơ sở lý thuyết liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị

1.3.1 Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lượng bức xạTrái Đất

Mặt trời là nguồn cung cấp nhiệt chủ yếu cho Trái Đất Đến lượt mình, Trái Đất lại bức xạ vào khí quyển và không gian Các khí, hơi nước và thành phần của khí quyển có thể hấp thụ và phát xạ mạnh mẽ đối với bước sóng trong phổ bức xạ ở mặt đất Bức xạ Mặt Trời đi qua khí quyển, truyền năng lượng vào không khí và Trái Đất gây ảnh hưởng lên các điều kiện khí tượng Trái đất hấp thụ hầu hết bức xạ Mặt Trời và cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp và

sự sống [3]

Định luật Plank cho rằng vật đen tuyệt đối (VĐTĐ) là một vật hấp phụ hoàn toàn bức xạ tới và chuyển nó thành năng lượng bên trong, tạo ra sự tăng nhiệt độ của vật thể Vì lý do đó mà VĐTĐ không tham gia vào bất cứ quá trình truyền dẫn hoặc phản xạ nào nhưng nó lại phát xạ năng lượng mà nó hấp thụ được với tỷ lệ tối đa tính trên đơn vị diện tích Lượng năng lượng này sẽ giao động tuỳ thuộc vào nhiệt độ của vật thể và bước sóng mà nó phát xạ

Hình 1 5: Quá trình đảo nhiệt đô thị

Định luật bức xạ Plank cho phép ta tính được nhiệt năng mà VĐTĐ phát ra

Có nhiều cách biểu diễn công thức tính nhiệt năng theo định luật Plank tuỳ thuộc vào các thông số và thứ nguyên mà ta sử dụng Trong viễn thám người ta dùng

công thứ sau: P=

2

5 1 /

Thân nhiệt độ đại diện cho một trạng thái nhiệt nhưng có thể được biểu diễn dưới hai dạng: nhiệt độ bên trong (do chuyển động của các nguyên tử) đo bằng nhiệt kế đưa vào vật thể và nhiệt độ bên ngoài tính bằng nhiệt phát xạ Dòng bức xạ nhiệt Fb (được đo bằng Watt trên cm2) phát ra từ VĐTĐ liên quan đến nhiệt độ nhiệt động (kinetic) Tk(tính bằng Kelvin) và được tính bằng hàm Stefan-Boltzmann:

Fb=σTk4 Trong đó:

B : tổng năng lượng ở nhiệt độ T (Wm-2)

T : nhiệt độ tuyệt đối của vật thể phát xạ (K)

σ: hằng số Stefan-Boltzman (5,67x10-8Wm-2K-4)

1.3.2 Đảo nhiệt đô thị [7]

(Lawrence Berkeley National Laboratory (2000))

Đảo nhiệt đô thị là hiện tượng được hình thành khi trong cùng một thời gian, nhiệt độ trong thành phố lớn hơn nhiệt độ khu vực ngoại thành xung quanh (Voogt và Oke , 2003), đây là các dạng thay đổi khí hậu địa phương do tác động của con người Yếu tố đầu tiên đóng góp vào việc hình thành UHI là sự suy giảm lớp phủ thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến

Hình 1 6 Mặt cắt đứng của một UHI điển hình

cho lượng nước đi vào khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên [12] Các MKT tập trung thu nhận bức xạ Mặt Trời ở bề mặt và có thể cực tiểu hóa chuyển tải năng lượng đó đi hướng lên (qua sự phản xạ và đối lưu), đi xuống (qua sự truyền dẫn) hoặc đi ngang (qua sự bình lưu và truyền dẫn) Mặt cắt đứng của một UHI điển hình được minh họa trên hình 1.6 Thường thì ở các khu trung tâm thương mại sầm uất sẽ có đỉnh nhiệt độ cao nhất, do những nơi này mật độ nhà cửa dày đặc, thiếu cây xanh cùng các hoạt động liên tục của giao thông và nhiệt thải từ các tòa nhà Đỉnh này rơi xuống có hướng tiến về phía nông thôn ngoại thành, nơi còn những cánh đồng canh tác nông nghiệp với mật độ cây xanh cao

Nhiều yếu tố gây nên sự khác biệt nhiệt độ giữa các khu đô thị và nông thôn, bắt nguồn từ các thay đổi trong các đặc tính nhiệt và bức xạ của các vật liệu bề mặt đến các thay đổi của địa hình

Đặc tính nhiệt của các vật liệu bề mặt: Các vật liệu dùng để xây dựng các cấu trúc đô thị và phủ các bề mặt đất đô thị thường có đặc tính nhiệt thay đổi đáng kể so với các vật liệu tự nhiên ở nông thôn Hiệu ứng của các sự khác biệt này thể hiện trên hình Phản hồi nhiệt lớn của đá và đất khô tương tự như của các vật liệu đô thị Đất ẩm và thực vật thì lại phản ứng với sự đốt nhiệt bức xạ ở mức trung bình Các vật liệu kim loại phản ứng rất nhỏ do khả năng phản xạ và

độ dẫn nhiệt khá cao Một trong những đặc tính nhiệt rất quan trọng trong việc gây nên UHI là độ truyền dẫn nhiệt hay quán tính nhiệt của vật liệu bề mặt Độ truyền dẫn đóng vai trò trong việc xác định số lượng thông lượng nhiệt qua một chất của mặt cắt nhiệt độ cho trước Dao động nhiệt độ ngày đêm trên hình phụ thuộc vào độ truyền dẫn nhiệt của vật liệu bề mặt Nói chung, sự thay đổi nhiệt

độ phụ thuộc nghịch đảo vào độ truyền dẫn nhiệt Các vật liệu với độ truyền dẫn nhiệt thấp như của các khu đô thị có dao động nhiệt độ lớn hơn các vật liệu với

độ truyền dẫn nhiệt cao như của đất ẩm và thực vật nhờ sự hiện diện của độ ẩm bên trong và do độ truyền dẫn nhiệt phụ thuộc vào khả năng bốc thoát hơi nước

(Jensen J.R., (2000))

Hình 1 7 : Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong

chu kỳ ngày đêm

Khả năng bốc thoát hơi nước: Các khu đô thị bị thay thế các bề mặt tự

nhiên bằng các bề mặt nhân tạo thiếu thực vật cây xanh, điều này làm giảm khả năng thoát hơi nước và là một nguồn mất mát nhiệt ẩn tương đối so với các khu nông thôn

Việc sử dụng cường độ các MKT và các hệ thống tiêu thoát nước tác động đến sự vận chuyển nước bề mặt nhanh chóng từ khu đô thị, làm giảm sự mất mát nhiệt ẩn qua sự bốc hơi Khả năng bốc thoát hơi nước đóng vai trò lớn trong cân bằng năng lượng ở nông thôn do đặc tính nhiệt tiềm ẩn cao của nước [7]

Hiệu ứng hẻm núi: Do địa hình giống hẻm núi (canyon) của các khu đô

thị, đặc biệt các khu trung tâm, bức xạ sóng ngắn được hấp thụ hiệu quả hơn trong các khu đô thị so với trong các vùng nông thôn Địa hình hẻm núi dẫn đến làm tăng các bề mặt hấp thụ hoạt động và cho phép phản xạ đa hướng bức xạ Mặt Trời, khiến cho bức xạ sóng ngắn dễ dàng được hấp thụ hơn là trong các vùng nông thôn Tính chất hình học phức tạp của khu đô thị cho phép hấp thụ tốt hơn ánh sáng Mặt Trời suốt thời kỳ chiếu sáng Vì vậy, hiệu ứng hẻm núi làm yếu albedo tổng của toàn bộ khu đô thị không phụ thuộc vào albedo riêng phần của các vật liệu bề mặt [7]

Tầm nhìn giảm: Tính chất hình học của hẻm núi cũng làm giảm hiệu quả

với cái mà khu đô thị có thể bức xạ sóng dài vào trong khí quyển và không gian

Các bề mặt phức tạp cho phép hấp thụ lại bức xạ sóng dài, hạn chế sự mất mát nhiệt qua việc làm lạnh bức xạ

Độ nhám bề mặt tăng: Các khu đô thị có độ nhám bề mặt tăng (do độ cao

công trình xây dựng đa dạng) làm chậm gió thổi ở lớp bề mặt Điều này hạn chế

sự mất mát nhiệt hiện từ bề mặt đô thị qua quá trình đối lưu khí quyển

Ô nhiễm: Khí quyển các khu đô thị có mức độ ô nhiễm cao hơn là của các

khu nông thôn xung quanh Ô nhiễm, đặc biệt các sol khí, có thể tạo ra hiệu ứng nhà kính giả, hấp thụ và bức xạ lại sóng dài và hạn chế việc làm lạnh bề mặt phát xạ

Sự phát sinh nhiệt do hoạt động nhân sinh: Các khu đô thị sản xuất

nhiều nhiệt hơn từ các hoạt động nhân sinh so với các vùng nông thôn, do mật

độ dân số cao hơn Các nguồn hoạt động nhân sinh bao gồm ô-tô, xe máy, thiết

bị xây dựng, máy điều hòa và mất mát nhiệt từ các tòa nhà cao tầng [7]

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.Khu vực nghiên cứu

Hình 2 1: Vị trí khu vực nghiên cứu

2.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên [10]

a Vị trí địa lý

Thành phố Hà Nội có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên phía Đông, Hòa Bình cùng Phú Thọ phía Tây

b Điều kiện tự nhiên

- Địa hình:

Thủ đô Hà Nội có 3 dạng địa hình cơ bản là: Vùng đồng bằng, vùng trung

du, đồi núi thấp và vùng núi cao Nhờ phù sa bồi đắp nên ba phần tư diện tích tự nhiên là đồng bằng, nằm ở hữu ngạn sông Đà, hai bên sông Hồng và chi lưu các con sông khác Địa hình 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

- Khí hậu:

Khí hậu đặc trưng của vùng nhiệt đới gió mùa, với 2 mùa chủ yếu trong năm: mùa nóng và mùa lạnh Mùa nóng từ tháng 4 đến tháng 10, nóng ẩm và mưa nhiều, gió thịnh hành hướng Đông Nam, thường có giông bão Tháng có nhiệt độ cao nhất trong năm là tháng 6, tháng 7 và tháng có lượng mưa trung bình cao nhất trong năm là tháng 7 Vì vậy, mùa nóng thường cũng là mùa mưa Mùa lạnh ở Hà Nội bắt đầu từ tháng 11 à thường kết thúc vào tháng 3 Mùa này khí hậu ở Hà Nội tương đối lạnh và khô Trời ít mưa Tháng 1 là tháng có nhiệt

độ trung bình thấp nhất, đồng thời cũng có lượng mưa trung bình thấp nhất trong năm Hướng gió thịnh hành là Đông Bắc Hai tháng 4 và 10 được coi như là tháng chuyển tiếp, tạo cho Hà Nội có 4 mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông

Nhiệt độ trung bình ở vùng đồng bằng khoảng 23oC  24oC, miền núi vào khoảng 21oC  22,8oC So với nhiều tỉnh vùng đồng bằng Bắc Bộ, lượng mưa ở

Hà Nội là khá lớn nhưng phân bố không đều Ba Vì đạt lượng mưa trong năm cao nhất là 2100mm

- Thủy văn

Thành phố Hà Nội nằm cạnh sông Hồng và sông Đà, hai con sông lớn của miền Bắc Ngoài ra Hà Nội còn có rất nhiều sông ngòi, ao hồ như sông Nhuệ, sông Đáy, sông Tô Lịch, sông Lù, sông Sét, sông Bùi, sông Đuống, sông Cà Lồ, v.v và hệ thống hồ ao chằng chịt Chảy qua trung tâm Thủ đô Hà Nội là sông Hồng, chiều dài 163 km chiếm khoảng một phần ba chiều dài của con sông này trên đất Việt Nam

2.1.2 Tình hình phát triển đô thị Hà Nội [10]

-Thời kỳ trước 1010:

Trước khi được lựa chọn là Kinh đô Thăng Long - Hà Nội là một khu làng nằm ven sông Tô Lịch tên là Long Đỗ (Rốn Rồng)

Giữa thế kỷ V, thành một quận gọi tên là Tống Bình

Thế kỷ X, trung tâm Hà nội trở thành dinh luỹ của chính quyền đô hộ phương Bắc Tên gọi Đại La

(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)

-Thời kỳ phong kiến 1010 – 1831:

+Thời Lý: Năm 1010, Lý Công Uẩn, vị vua đầu tiên nhà Lý, quyết định xây dựng kinh đô mới ở vùng đất này với tên Thăng Long

Thời Trần: Cấu trúc phường - đô thị có đặc trưng nhiều hoạt động từ nông nghiệp đến thủ công nghiệp và thương mại Kẻ Chợ

+Thời Lê: Thế kỷ XVI - XVIIII, hệ thống thành luỹ được kiểm soát xây dựng bằng 16 cửa ô Thăng Long kẻ chợ gồm 36 phường, chia thành 3 loại: phường thợ thủ công, phường nông dân và phường thương gia

+Thời Nguyễn (1831 - 1873)

1831: lập tỉnh Hà Nội

1804 - 1805: xây thành hình Vauban

1894: quy hoạch lại thành phố

-Thời kỳ thuộc địa Pháp 1873 – 1945:

Trong quy hoạch của người Pháp, trung tâm của thành phố Hà Nội bao gồm: Khu vực 36 phố phường, Khu vực phía Tây Hồ Gươm, Khu vực Thành cổ

Hình 2 2: Bản đồ Hồng Đức 1470 (do Biệt Lãm vẽ lại năm 1956)

Thành phố Hà Nội đƣợc quy hoạch kiểu ô bàn cờ, trên nguyên tắc bố cục kiến trúc thuần tuý của Pháp (1894)

(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)

Thời kỳ 1945 – 1986:

Từ 1945 - 1954, sự phát triển của đô thị gần nhƣ không đáng kể, làn sóng

di dân mạnh vì thế nhiều khu mới đƣợc thành lập ở ngoại thành (phía Nam, Tây Nam và phía Tây thành phố)

Thông qua kế hoạch thực hiện 5 năm lần thứ nhất (1955-1960) và kế hoạch

5 năm lần thứ hai (1961 - 1965), quyết định mở rộng Hà Nội đƣợc phê duyệt (1961) Lúc này Hà Nội mở rộng cả 4 phía Khu vực nội thành đƣợc chia thành

4 khu : Ba Đình, Đống Đa, Hoàn Kiếm, Hai Bà Trƣng

Hình 2 3: Bản đồ quy hoạch thành phố Hà Nội từ 1873-1943

Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1954 - 1960: định hướng thành phố phát triển hoàn toàn nằm phía hữu ngạn sông Hồng Khu vực trung tâm: là khu vực Ba Đình - Hoàn Kiếm và phần phía Nam Hồ Tây Qui mô đất đai: 7000ha

Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 - 1964: Định hướng thành phố phát triển chủ yếu ở khu vực phía Nam sông Hồng và một phần khu phía Bắc (Gia Lâm, Đông Anh) Chủ yếu về phía Tây Bắc là các khu Phú Thượng, Xuân La, Xuân Đỉnh, Cổ Nhuế, phía Tây là khu vực Cầu Giấy, Dịch Vọng, Yên Hoà, Trung Hoà, Tây Nam chủ yếu dọc theo QL6, phía Nam là khu vực Giáp Bát, một phần khu vực Định Công.Qui mô đất đai 130Km2 Dân số: 380.000 người Hành chính: gồm 4 quận nội thành và 4 huyện ngoại thành

Tháng 12/1978, Hà Nội mở rộng thêm về phía bắc và phía Tây Ngoài 4 khu nội thành và 4 huyện ngoại thành thì có bổ sung thêm 2 thị xã là Sơn Tây và

Hà Đông và một số huyện khác Từ đây quận dùng thay cho các khu Diện tích

Hà Nội là 2100 km2

Năm 1981: Dự kiến phát triển xây dựng hạn chế trong 4 quận nội thành đến năm 2000 (Hoàn Kiếm, Ba Đình, Đống Đa, Hai Bà Trưng) sau đó mở rộng thành phố về phía Đông Anh, Gia Lâm

(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)

Hình 2 4: Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 – 1964 và 1978 – 1982

1986-nay: