Nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mô hình chất lượng không khí CMAQ tại khu vực hà nội

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGUYỄN HẢI ĐƠNG NGHIÊN CỨU ĐỒNG HĨA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ (CMAQ) TẠI KHU VỰC HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGUYỄN HẢI ĐƠNG NGHIÊN CỨU ĐỒNG HĨA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ (CMAQ) TẠI KHU VỰC HÀ NỘI Ngành: Quản lý tài nguyên môi trường Mã số: 9850101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Tác giả luận án Giáo viên hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Hải Đơng PGS.TS Dỗn Hà Phong TS Lê Ngọc Cầu Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận Luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Hải Đông ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Biến đổi khí hậu, Trung tâm Dịch vụ viễn thám địa tin học (nay Trung tâm Triển khai công nghệ viễn thám), Cục viễn thám quốc gia tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả q trình nghiên cứu hồn thành Luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Quan trắc Môi trường, Tổng Cục Môi trường, Chi Cục Bảo vệ môi trường, Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội cung cấp số liệu quan trắc cần thiết cho việc hoàn thành nghiên cứu tác giả Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn PGS.TS Doãn Hà Phong TS Lê Ngọc Cầu tận tình giúp đỡ tác giả từ bước xây dựng hướng nghiên cứu, suốt trình nghiên cứu hồn thiện Luận án Hai thầy ln ủng hộ, động viên hỗ trợ điều kiện tốt để tác giả hoàn thành Luận án Tác giả trân trọng cảm ơn PGS.TS Dương Hồng Sơn tạo điều kiện thuận lợi tài liệu, số liệu tính tốn phục vụ Luận án Tác giả chân thành cảm ơn chuyên gia, nhà khoa học ngồi Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu quan hữu quan có góp ý khoa học hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả suốt trình thực Luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người thân u gia đình ln bên cạnh, động viên vật chất tinh thần để tác giả hồn thành tốt Luận án Tác giả luận án Nguyễn Hải Đông iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC BẢNG xii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề, lý lựa chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Đóng góp 7 Luận điểm bảo vệ Bố cục luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HÓA .8 1.1 Tổng quan phương pháp quan trắc môi trường 1.1.1 Các phương pháp quan trắc môi trường 1.1.2 Phân tích, đánh giá 21 1.2 Khái niệm, tổng quan phương pháp đồng hóa 25 1.2.1 Khái niệm 25 1.2.2 Tổng quan phương pháp đồng hóa 27 1.2.2.1 Nghiên cứu phương pháp đồng hóa số liệu Thế giới 31 1.2.2.2 Nghiên cứu phương pháp đồng hóa số liệu Việt Nam 33 iv 1.3 Tổng quan đồng hóa số liệu khí tượng hóa học khí 35 1.3.1 Đồng hóa số liệu khí tượng học 36 1.3.2 Đồng hóa số liệu hóa học khí 38 1.3.2.1 Đồng hóa số liệu mơ hình hóa học 38 1.3.2.2 Đồng hóa số liệu vệ tinh giám sát ô nhiễm không khí 41 Tiểu kết chương 50 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52 2.1 Đối tượng, phạm vi mục tiêu nghiên cứu 52 2.2 Kỹ thuật đồng hóa số liệu 56 2.2.1 Thuật toán lọc Kalman mở rộng 57 2.2.2 Thuật toán lọc Kalman tổ hợp 63 2.3 Đồng hóa số liệu mơ hình WRF 68 2.3.1 Hiệp phương sai lỗi 70 2.3.2 Hệ thống WRF-3DVAR 72 2.3.3 Hệ thống WRF-4DVAR 73 2.4 Áp dụng kỹ thuật 4DVAR để đồng hóa số liệu vệ tinh MODIS 78 2.4.1 Số liệu vệ tinh MODIS 78 2.4.2 Đồng hóa số liệu AOD từ số liệu vệ tinh MODIS 81 Tiểu kết chương 86 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO HỆ THỐNG MƠ HÌNH WRF-CMAQ 87 3.1 Mô tả bước trình thực nghiệm 87 3.2 Kết mô thực nghiệm 103 3.2.1 Kết mô vào mùa mưa 103 3.2.2 Kết mô vào mùa khô 110 Tiểu kết chương 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 v TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 145 PHỤ LỤC 146 Quy trình bước thực mơ 148 1.1 Hệ thống tiền xử lý 148 1.2 Loại bỏ sai số thô 150 1.3 Hệ thống xử lý ARW - mơ hình WRF 153 1.3.1 Khởi tạo số liệu thực 155 1.3.2 Module đồng hóa số liệu 155 1.3.3 Mơ hình nghiên cứu dự báo thời tiết 160 1.4 Mô hình chất lượng khơng khí đa qui mơ 161 1.4.1 Tính tốn tốc độ quang phân 161 1.4.2 Xử lý điều kiện ban đầu 162 1.4.3 Xử lý điều kiện biên 163 1.4.4 Mơ hình vận chuyển hóa học 163 Thống kê vài số liệu hình ảnh kết q trình mơ thực nghiệm 166 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3DVAR Three-demiensional variational - Biến phân ba chiều 4DVAR Four-demiensional variational - Biến phân bốn chiều AOD Aerosol Optical Depth - Độ sâu quang học sol khí AOT Aerosol Optical Thickness - Độ dày quang học sol khí AQI Air Quality Index - Chỉ số chất lượng không khí BĐKH Biến đổi khí hậu BLUE Best Linear Unbiased Estimate - Ước tính khơng thiên vị tuyến tính tốt CCTM CMAQ Chemistry-Transport Model - Mơ hình Hóa học-Vận chuyển CMAQ CLKK Chất lượng khơng khí CMAQ Community Multi-scale Air Quality - Chất lượng khơng khí đa quy mơ DOS Darkest Object Subtraction - Phép trừ vật thể tối ĐHBP Đồng hóa biến phân ĐHD Đồng hóa dãy ĐHDL Đồng hóa số liệu EnKF Ensemble Kalman filter - Bộ lọc Kalman tổ hợp FDDA Four-Dimensional Data Assimilation - Đồng hóa số liệu bốn chiều GOCART Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport - Goddard hóa học xạ vận chuyển Aerosol GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu GPS/MET Global Positioning System/Meteorology - Hệ thống định vị tồn cầu/Khí tượng I/O API Input/Output Applications Programming Interface - Giao diện lập trình ứng dụng đầu vào/đầu vii LETKF Local Ensemble Transform Kalman Filter - Bộ lọc Kalman biến đổi cục MM5 Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model - Mơ hình Mesoscale hệ thứ năm MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer - Máy đo quang phổ hình ảnh có độ phân giải vừa phải NASA National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia NCAR National Center for Atmospheric Research - Trung tâm Nghiên cứu Khí Quốc gia NCEP National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Cơ quan Quản lý Khí Đại dương Quốc gia NWP Numerical Weather Prediction - Dự báo thời tiết dạng số OD Optical Depth - Độ sâu quang học OI Optimal interpolation - Nội suy tối ưu OMI Ozone Monitoring Instrument - Công cụ giám sát ôzôn PM Particulate Matter - Vật chất dạng hạt (trong khuôn khổ nghiên cứu gọi BỤI) SMOKE Sparse Matrix Operator Kerner Emissions - Điều khiển ma trận rời rạc phát thải Kerner WRF The Weather Research and Forecasting Model - Mơ hình nghiên cứu dự báo thời tiết viii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Các bước dự báo quan trắc lọc EKF 62 Hình 2.2: Mối quan hệ thành phần WRFDA với thành phần hệ thống WRF 69 Hình 2.3: Định dạng LITTLE_R số liệu AOD từ vệ tinh MODIS 83 Hình 2.4: Cửa sổ thời gian phân tích OBSPROC - 3DVAR 84 Hình 2.5: Cửa sổ thời gian phân tích OBSPROC - 4DVAR 84 Hình 3.1: Sơ đồ bước thực mô thực nghiệm 87 Hình 3.2: Domain (nét màu đỏ) nest (nét màu vàng) khu vực Hà Nội 90 Hình 3.3: Tổng hợp số liệu quan trắc trạm Nguyễn Văn Cừ năm 2015 92 Hình 3.4: Số liệu PM2.5 tháng 01, 02/2015 trạm Nguyễn Văn Cừ 93 Hình 3.5: Tổng hợp số liệu quan trắc trạm cố định năm 2017, 2019 96 Hình 3.6: Ảnh MODIS_3K ngày 01/01/2015 (bên trái) số liệu AOD ảnh (bên phải) 100 Hình 3.7: Ảnh MODIS_3K ngày 14/01/2015 (bên trái) số liệu AOD ảnh (bên phải) 100 Hình 3.8: Ảnh MODIS_3K ngày 16/01/2015 (bên trái) số liệu AOD ảnh (bên phải) 101 Hình 3.9: Ảnh MODIS_3K ngày 14/07/2015 (bên trái) số liệu AOD ảnh (bên phải) 101 Hình 3.10: Ảnh MODIS_3K ngày 13/07/2015 (bên trái) số liệu AOD ảnh (bên phải) 102 244 245 246 Hình PL.07: Kết ước tính nồng độ PM2.5 trước đồng hóa (ảnh trái) sau đồng hóa (ảnh phải) 00, 03, 06, 09, 12, 18 21 ngày 08/02/2015 247 248 249 Hình PL.08: Kết ước tính nồng độ PM2.5 trước đồng hóa (ảnh trái) sau đồng hóa (ảnh phải) 00, 03, 06, 09, 12, 18 21 ngày 07/07/2017 250 251 252 Hình PL.09: Kết ước tính nồng độ PM2.5 trước đồng hóa (ảnh trái) sau đồng hóa (ảnh phải) 00, 03, 06, 09, 12, 18 21 ngày 09/09/2017 253 254 255 Hình PL.10: Kết ước tính nồng độ PM2.5 trước đồng hóa (ảnh trái) sau đồng hóa (ảnh phải) 00, 03, 06, 09, 12, 18 21 ngày 08/02/2019 256 257 258 Hình PL.11: Kết ước tính nồng độ PM2.5 trước đồng hóa (ảnh trái) sau đồng hóa (ảnh phải) 00, 03, 06, 09, 12, 18 21 ngày 09/09/2019 ... ? ?Nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ khu vực Hà Nội? ?? lựa chọn Để thực nghiên cứu này, số câu hỏi đặt sau: - Đồng hóa số liệu cho mơ hình CMAQ thực module mơ hình? ... số liệu vệ tinh đáp ứng u cầu cho mục đích đồng hóa việc đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình CMAQ tiến hành nào? - Đánh giá kết mơ hình sau số liệu vệ tinh đồng hóa nào? Hiệu việc đồng hóa số. .. số liệu Việt Nam 33 iv 1.3 Tổng quan đồng hóa số liệu khí tượng hóa học khí 35 1.3.1 Đồng hóa số liệu khí tượng học 36 1.3.2 Đồng hóa số liệu hóa học khí 38 1.3.2.1 Đồng hóa số liệu