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

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 Ngành: Quản lý tài nguyên môi trường Mã số: 9850101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Doãn Hà Phong TS Lê Ngọc Cầu Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Thư viện Viện Khoa học Khí tượng thủy văn Biến đổi khí hậu MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khơng khí lượng chất khí ln bao quanh chúng ta, khơng khí khơng có màu, không mùi, không vị yếu tố định sống người tồn sinh vật sống trái đất Ơ nhiễm mơi trường khơng khí thay đổi lớn thành phần khơng khí có xuất khí lạ làm cho khơng khí khơng cịn sạch, có tỏa mùi, làm giảm tầm nhìn xa, gây biến đổi khí hậu, gây bệnh cho người lồi sinh vật Ơ nhiễm mơi trường khơng khí xả khơng khí có chứa thành phần độc hại loại khí, bụi lơ lửng, khói, mùi vượt ngưỡng giới hạn định [7] Có nhiều quy chuẩn để đánh giá chất lượng khơng khí (CLKK) khác nhau, nhiên, nồng độ hạt lơ lửng khơng khí, đặc biệt PM2.5 PM10, chấp nhận rộng rãi để đánh giá chất lượng khơng khí Do đó, thuật ngữ chất lượng khơng khí đề cập đến nồng độ PM2.5 mơi trường khơng khí phần cịn lại nghiên cứu Để đánh giá chất lượng khơng khí, nhiều phương pháp giải pháp kỹ thuật phát triển phương pháp đo đạc thiết bị trạm quan trắc đặt mặt đất, phương pháp viễn thám (thông qua cảm biến lắp đặt vệ tinh) phương pháp mơ hình hóa (sử dụng mơ hình toán) Đối với phương pháp đo đạc thiết bị trạm quan trắc đặt mặt đất, chất gây nhiễm khơng khí cung cấp cách định tính, định lượng nồng độ lắng đọng Tuy nhiên, chúng mơ tả CLKK vị trí thời điểm cụ thể mà không đưa định hướng việc xác định nguyên nhân ô nhiễm không khí Phương pháp viễn thám sử dụng cảm biến đặt vệ tinh sử dụng để đánh giá CLKK diện rộng thời điểm Tuy nhiên, phương pháp chưa đáp ứng yêu cầu độ xác, tần suất cung cấp thông tin, khả dự báo Hệ thống mô hình chất lượng khơng khí đa qui mơ Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) hệ thống mơ hình có khả mơ q trình khí phức tạp ảnh hưởng tới biến đổi, lan truyền lắng đọng Tuy vậy, phương pháp mơ hình hóa, yếu tố đầu vào mơ hình có vai trị quan trọng Trên thực tế nay, chưa có phương pháp có khả cung cấp hồn chỉnh tồn liệu đầu vào mơ hình CMAQ mà cần phải có tích hợp từ nhiều nguồn liệu khác Đây vấn đề khó khăn điểm mấu chốt cần giải tốn mơ hình hóa chất lượng khơng khí Trên sở đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ khu vực Hà Nội” chọn Để thực nghiên cứu này, số câu hỏi đặt sau: - Đồng hóa số liệu cho mơ hình CMAQ thực module mơ hình? - Loại số liệu vệ tinh đáp ứng yêu 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 liệu vệ tinh việc giám sát ô nhiễm không khí? Đối tượng nghiên cứu: Nồng độ bụi mịn PM2.5; Hệ thống mơ hình WRF-CMAQ; Phép lọc Kalman; Dữ liệu viễn thám MODIS; Độ sâu quang học AOD Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng nghiên cứu luận án gồm: - Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn lĩnh vực đo đạc, giám sát ô nhiễm không khí; - Phương pháp xử lý ảnh viễn thám: Thực cơng tác xử lý, tính tốn trực tiếp số liệu AOD, nồng độ bụi ảnh viễn thám MODIS; - Phương pháp mơ hình hóa: Kỹ thuật đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình CMAQ; - Phương pháp thống kê, phân tích đa thời gian: Phân tích diễn biến nồng độ bụi PM2.5 từ kết mơ hình theo thời gian mơ Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết Luận án cung cấp sở khoa học, phương pháp sử dụng số liệu vệ tinh xây dựng số liệu đầu vào, quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ nhằm tạo cơng cụ phục vụ đánh giá chất lượng khơng khí khu vực Hà Nội nói riêng Việt Nam nói chung - Ý nghĩa thực tiễn: Kết Luận án áp dụng vào cơng tác đánh giá chất lượng khơng khí, hỗ trợ nhà quản lý việc giám sát, xác định nguồn phát thải gây nhiễm, từ xem xét, định hoạt động nhằm giảm thiểu ô nhiễm khơng khí, phát triển kinh tế xã hội Luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh AOD sử dụng module WRFDA phục vụ công tác dự báo, đánh giá CLKK phù hợp với điều kiện Việt Nam - Luận điểm 2: Đồng hóa số liệu AOD từ vệ tinh MODIS nâng cao độ xác ước tính, dự báo CLKK cho khu vực Hà Nội phù hợp Đóng góp luận án Thiết lập phương pháp việc đánh giá CLKK thông qua mơ hình CMAQ mang tính chất tồn diện phục vụ giám sát nhiễm khơng khí địa bàn thành phố Hà Nội mở rộng cho tất tỉnh thành phạm vi nước đặc biệt hữu ích cho khu vực chưa có trạm quan trắc mặt đất Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu; tài liệu tham khảo; phụ lục, cấu trúc luận án gồm 03 Chương: Chương Tổng quan phương pháp đồng hóa Chương Cơ sở toán học phương pháp nghiên cứu Chương Kết đồng hóa số liệu vệ tinh cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HÓA 1.1 Tổng quan phương pháp quan trắc môi trường Hiện có nhiều phương pháp quan trắc phục vụ giám sát nhiễm khơng khí áp dụng triển khai thực tế a Phương pháp xác định thiết bị quan trắc Phương pháp xác định thơng số khơng khí thiết bị quan trắc trạm quan trắc đặt mặt đất đo đạc nồng độ chất khơng khí sử dụng phổ biến nay, đặc biệt đô thị, khu công nghiệp - Luận điểm 2: Đồng hóa số liệu AOD từ vệ tinh MODIS nâng cao độ xác ước tính, dự báo CLKK cho khu vực Hà Nội phù hợp Đóng góp luận án Thiết lập phương pháp việc đánh giá CLKK thông qua mơ hình CMAQ mang tính chất tồn diện phục vụ giám sát nhiễm khơng khí địa bàn thành phố Hà Nội mở rộng cho tất tỉnh thành phạm vi nước đặc biệt hữu ích cho khu vực chưa có trạm quan trắc mặt đất Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu; tài liệu tham khảo; phụ lục, cấu trúc luận án gồm 03 Chương: Chương Tổng quan phương pháp đồng hóa Chương Cơ sở toán học phương pháp nghiên cứu Chương Kết đồng hóa số liệu vệ tinh cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HÓA 1.1 Tổng quan phương pháp quan trắc môi trường Hiện có nhiều phương pháp quan trắc phục vụ giám sát nhiễm khơng khí áp dụng triển khai thực tế a Phương pháp xác định thiết bị quan trắc Phương pháp xác định thơng số khơng khí thiết bị quan trắc trạm quan trắc đặt mặt đất đo đạc nồng độ chất khơng khí sử dụng phổ biến nay, đặc biệt đô thị, khu công nghiệp Bằng cách đồng hóa số liệu, sai số dự báo điều kiện ban đầu giảm nhẹ dẫn đến kết dự báo tốt Ước lượng điều kiện ban đầu xác chất lượng dự báo tốt Phương pháp đồng hóa số liệu trở thành phương pháp quan trọng ngành dự báo Tiểu kết chương Có thể nói, việc kết hợp nhiều nguồn số liệu cho mục đích tạo ước lượng ban đầu tốt từ trạng thái dự báo (hay dự báo nền) cho trước trạng thái khí làm đầu vào cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ, nâng cao chất lượng kết dự báo chất lượng khơng khí xu tất yếu công tác dự báo Số liệu từ vệ tinh quan trắc trái đất ngày có độ xác cao, với tần xuất ngày cải thiện Ưu điểm phương pháp viễn thám khả cung cấp số liệu diện rộng, từ quy mô địa phương đến quốc gia, chí quy mơ tồn cầu; đặc biệt giá thành thấp, chí cịn miễn phí Kết nghiên cứu trước chứng minh số liệu độ sâu quang học từ vệ tinh có tác động nâng cao độ xác kết ước tính nồng độ chất khơng khí Việc xác định phương pháp xử lý số liệu AOD đóng vai trị quan trọng việc đồng hóa, tạo nguồn số liệu đầu vào cho hệ thống mơ hình WRFCMAQ Đồng hóa số liệu khí tượng hóa học khí chứng minh cải thiện cách đáng kể kết dự báo Kỹ thuật đồng hóa dựa sở tốn học lọc Kalman tổ hợp ứng dụng cho hệ thống mơ hình WRF để đồng hóa số liệu vệ tinh nhằm dự báo trạng thái khí dự báo chất lượng khơng khí nhà khoa học thực chứng minh có hiệu rõ rệt Tuy nhiên, kết nghiên cứu tác giả trước chưa đề cập đến việc kết hợp hệ thống mơ hình WRF hệ thống mơ hình CMAQ để đánh giá chất lượng khơng khí dựa sở lọc Kalman cho việc đồng hóa số liệu vệ tinh AOD Do vậy, xây dựng quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh AOD cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ nhằm thiết lập phương pháp việc đánh giá chất lượng khơng khí cách toàn diện diện rộng phục vụ giám sát ô nhiễm không khí khu vực Hà Nội, mở rộng lãnh thổ Việt Nam vấn đề cần nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Kỹ thuật đồng hóa số liệu Theo Talagrand Kalnay, ước tính tốt trạng thái khí thu từ kết hợp thống kê đốn khí quan trắc trạng thái phân tích Để có ước tính tối ưu cần thơng tin thống kê sai số quan trắc Một phương pháp khác để có ước tính tối ưu lọc Kalman Lọc Kalman thuật toán cung cấp ước tính số biến chưa biết dựa phép đo quan sát theo thời gian Bộ lọc Kalman chứng minh tính hữu ích ứng dụng khác 2.1.1 Thuật toán lọc Kalman mở rộng Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) sử dụng cho ứng dụng phi tuyến Thuật toán lọc Kalman mở rộng bao gồm hai bước: “bước dự báo” trạng thái dự báo ma trận hiệp phương sai 10 “bước phân tích” cập nhật trạng thái phân tích hiệp phương sai tương ứng, tóm tắt lại sau: Đầu vào a Trạng thái dự báo x (t0 )  x0 ma trận hiệp phương sai lỗi P a ( t )  P0 Vòng lặp i = 1, 2, •Bước dự báo: x f (ti )  M i 1  x a (ti 1 )  P f ( t i )  L i 1 P a ( t i 1 ) LTi 1  Q i 1 •Bước phân tích: 1 K i  P f (ti )HTi  R i  H i P f (ti )HT  x a (ti )  x f (ti )  K i  yi0  H  x f (ti )   P a (ti )   I  K i H i  P f (ti ) Một đặc tính tuyệt vời lọc Kalman mở rộng hệ thống bắt đầu với đoán ban đầu trạng thái khí quyển, EKF cung cấp ước tính tuyến tính tốt trạng thái hiệp phương sai Tuy nhiên, có hạn chế ứng dụng lan truyền sai số tính gần mơ hình tuyến tính tiếp tuyến hai bước phân tích 2.1.2 Thuật toán lọc Kalman tổ hợp Do khả phát triển mơ hình tiếp tuyến tích phân ma trận sai số hiệp biến theo thời gian với mô hình tiếp tuyến khơng thực tế mơ hình dự báo, lọc Kalman cải tiến để áp dụng cho tốn nghiệp vụ Một biến thể dựa tích phân ngẫu nhiên Monte-Carlo, theo tập đầu vào dựa theo phân bố xác suất giá trị sai số trường phân tích thời 11 điểm tạo xung quanh giá trị trường phân tích cho trước phát triển gọi lọc Kalman tổ hợp biến đổi cục hóa (LETKF) Đây phương pháp lựa chọn đưa vào module đồng hóa WRFDA phần sau nghiên cứu Về bản, lọc LETKF phương pháp điểm nút lưới, lựa chọn lân cận mơ hình với kích thước cho trước Sau đó, sử dụng ma trận nhiễu tổ hợp để biến đổi từ không gian cục sang không gian tổ hợp Điều làm giảm đáng kể khối lượng tính tốn ma trận khơng gian tổ hợp thường nhỏ không gian cục nhiều Do đó, phép tốn ma trận có độ xác cao q trình đồng hóa theo lọc LETKF có bảy bước 2.2 Đồng hóa số liệu mơ hình WRF Hệ thống đồng hóa số liệu WRF ban đầu dựa hệ thống 3DVAR MM5 đặt tên WRF3DVAR Sau đó, sơ đồ đồng hóa 4DVAR đưa vào tên đổi thành WRFVAR Năm 2008 sau phát hành phương pháp biến thể lai/tổng hợp (hybrid variational/ensemble method), thành phần đổi tên thành WRFDA, phát triển ngày 2.2.1 Module đồng hóa WRFDA WRFDA sử dụng để đưa quan trắc vào phân tích nội suy tạo hệ thống tiền xử lý (WPS), sử dụng để cập nhật điều kiện ban đầu WRF chạy chế độ quay vòng (two-way) WRFDA dựa kỹ thuật đồng hóa số liệu biến thiên gia tăng hỗ trợ phương pháp 3DVAR 4DVAR WRFDA có khả đồng hóa số liệu hỗn hợp kết hợp ích lợi phương pháp biến phân với thông tin lỗi thống kê, phụ thuộc vào luồng cung cấp dự báo tổng hợp 12 Hình 2.2 Mối quan hệ thành phần WRFDA với thành phần hệ thống WRF Phương pháp đồng hóa WRF-3DVar nhằm mục đích tạo ước tính tối ưu trạng thái khí thực thời điểm phân tích thơng qua việc giảm thiểu hàm chi phí (cost) quy định hàm số sau: J ( x)  J b ( x)  J ( x )  1 ( x  x b )T B 1 ( x  x b )  (y  y )T ( E  F ) 1 ( y  y ) 2 (2.26) Đồng hóa số liệu biến phân 3D-VAR phép giải lặp phương trình (2.26) để tìm trạng thái phân tích x cho J(x) nhỏ Đồng hóa 4D-Var có số ưu điểm so với phương pháp 3D-Var, cho phép quan trắc đồng hóa thời điểm quan trắc chúng khoảng thời gian cụ thể xác định hiệp phương sai dự báo phụ thuộc vào lưu lượng có khả sử dụng mơ hình dự báo ràng buộc dẫn đến ước tính phân tích cải thiện Hàm thuật tốn phương pháp 4D-Var có dạng: (2.28) 15 Tiểu kết chương Phương pháp đồng hóa số liệu sử dụng với mục đích kết hợp số liệu quan sát kết mơ hình nhằm tạo số liệu đầu vào có chất lượng tốt nhất, nâng cao kết dự báo mơ hình Kỹ thuật đồng hóa số liệu sử dụng lọc Kalman tổ hợp thực song song hóa lọc cách hiệu cách chia phần cơng việc độc lập cho lõi tính tốn khác nhau, điều cho phép tăng tính hiệu tính tốn áp dụng hệ thống mơ hình WRF với module đồng hóa số liệu WRFDA Phương pháp đồng hóa 4DVAR WRFDA dựa kỹ thuật đồng hóa số liệu biến thiên gia tăng cho phép quan trắc đồng hóa thời điểm quan trắc khoảng thời gian cụ thể sử dụng nghiên cứu nhằm đưa quan trắc vào phân tích nội suy tạo Hệ thống tiền xử lý (WPS) Sản phẩm Aerosol có độ phân giải x (km) MODIS đồng hóa thơng qua module WRFDA sau phân chia lớp theo độ cao lớp khí tượng giải vấn đề biên độ thay đổi số liệu phù hợp với địa phương, sàng lọc quan trắc, xóa bỏ quan trắc bên ngồi miền khơng gian mơ thời gian mô phỏng, gán cờ chất lượng cho quan trắc, xếp hợp số liệu trùng lặp theo thời gian không gian, kiểm tra điều kiện quán theo chiều dọc miền mô CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO HỆ THỐNG MƠ HÌNH WRF-CMAQ 3.1 Xác định thơng số cho q trình thực nghiệm - Nguồn liệu sử dụng: 14 Số liệu AOD từ vệ tinh MODIS sau xử lý bước đồng hóa vào hệ thống mơ hình WRF-CMAQ module WRFDA với phương pháp đồng hóa 4D-Var Q trình đồng hóa số liệu AOD tiến hành bước (4) “Sơ đồ bước nghiên cứu mô thực nghiệm - Hình 3.1” 2.2.2 Mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ Dữ liệu sau đồng hóa chuyển đổi vào mơ hình CMAQ thơng qua xử lý bề mặt khí tượng - hóa học (Meteorology Chemistry Interface Processor - MCIP) Trong hệ thống mơ hình CMAQ, liệu xử lý qua bước: - Tính tốn tốc độ quang phân sử dụng chế quang hóa; - Bộ xử lý điều kiện ban đầu ICON (Initial Conditions Processor): nội suy liệu theo cấu trúc ngang dọc miền mô - Bộ xử lý điều kiện biên BCON (Boundary Conditions Processor): điều kiện hóa học dọc theo ranh giới bên miền mô BCON tạo tệp đầu với nồng độ hóa học cho tất ô lưới dọc theo ranh giới ngang miền mơ hình hóa - Mơ hình vận chuyển hóa học CCTM (CMAQ ChemistryTransport Model): đầu vào cho CCTM bao gồm số liệu xử lý bước số liệu phát thải toàn cầu xác định chế hóa học nhằm tính tốn biến đổi mặt hóa học thành phần hóa học sở biến đổi yếu tố khí tượng, kết nồng độ thành phần hóa học (bao gồm vật chất hạt PM) thể theo yếu tố khí tượng khoảng thời gian quy định bước thời gian mô Cuối trực quan hóa kết q trình mơ hệ thống mơ hình WRF-CMAQ module Post-Procesing 15 Tiểu kết chương Phương pháp đồng hóa số liệu sử dụng với mục đích kết hợp số liệu quan sát kết mô hình nhằm tạo số liệu đầu vào có chất lượng tốt nhất, nâng cao kết dự báo mơ hình Kỹ thuật đồng hóa số liệu sử dụng lọc Kalman tổ hợp thực song song hóa lọc cách hiệu cách chia phần công việc độc lập cho lõi tính tốn khác nhau, điều cho phép tăng tính hiệu tính tốn áp dụng hệ thống mơ hình WRF với module đồng hóa số liệu WRFDA Phương pháp đồng hóa 4DVAR WRFDA dựa kỹ thuật đồng hóa số liệu biến thiên gia tăng cho phép quan trắc đồng hóa thời điểm quan trắc khoảng thời gian cụ thể sử dụng nghiên cứu nhằm đưa quan trắc vào phân tích nội suy tạo Hệ thống tiền xử lý (WPS) Sản phẩm Aerosol có độ phân giải x (km) MODIS đồng hóa thơng qua module WRFDA sau phân chia lớp theo độ cao lớp khí tượng giải vấn đề biên độ thay đổi số liệu phù hợp với địa phương, sàng lọc quan trắc, xóa bỏ quan trắc bên ngồi miền khơng gian mơ thời gian mô phỏng, gán cờ chất lượng cho quan trắc, xếp hợp số liệu trùng lặp theo thời gian không gian, kiểm tra điều kiện quán theo chiều dọc miền mơ CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐỒNG HĨA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO HỆ THỐNG MƠ HÌNH WRF-CMAQ 3.1 Xác định thơng số cho q trình thực nghiệm - Nguồn liệu sử dụng: 18 260,0 µg/m3 220,0 180,0 140,0 100,0 60,0 20,0 16/01/2015 00:00 17/01/2015 00:00 18/01/2015 00:00 PM2.5_QT 19/01/2015 00:00 PM2.5_AF 20/01/2015 00:00 21/01/2015 00:00 PM2.5_BF 22/01/2015 00:00 23/01/2015 00:00 RH (%) µg/m3 Hình 3.12: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 16/01/2015 đến 23 ngày 22/01/2015 trạm Nguyễn Văn Cừ 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 05/02/2019 00:00 06/02/2019 00:00 07/02/2019 00:00 PM2.5_QT 08/02/2019 00:00 PM2.5_AF 09/02/2019 00:00 10/02/2019 00:00 PM2.5_BF 11/02/2019 00:00 12/02/2019 00:00 RH (%) Hình 3.15: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 05/02/2019 đến 23 ngày 11/02/2019 trạm Minh Khai 17 + Mùa mưa: Từ 00 ngày 16/01/2015 đến 23 ngày 22/01/2015; Từ 00 ngày 04/02/2015 đến 23 ngày 11/02/2015; Từ 00 ngày 05/02/2019 đến 23 ngày 11/02/2019 + Mùa khô: Từ 00 ngày 04/07/2017 đến 23 ngày 10/07/2017; Từ 00 ngày 06/09/2017 đến 23 ngày 12/09/2017; Từ 00 ngày 06/09/2019 đến 23 ngày 12/09/2019 - Khu vực thực nghiệm mô phỏng: Khu vực tiến hành mô khu vực Hà Nội lân cận (Hình 3.2) Hình 3.2: Domain (màu đỏ) nest (màu vàng) khu vực Hà Nội 3.2 Kết q trình mơ 3.2.1 Kết mô vào mùa mưa Dưới kết mô thực nghiệm thời gian vào mùa mưa bao gồm: - Từ 00 ngày 16/01/2015 đến 23 ngày 22/01/2015; - Từ 00 ngày 04/02/2015 đến 23 ngày 11/02/2015; - Từ 00 ngày 05/02/2019 đến 23 ngày 11/02/2019 19 Kết hồi quy thể mối tương quan nồng độ PM2.5 trước sau đồng hóa với nồng độ PM2.5 cải thiện (R2 từ 0,929 lên 0,938 trạm Nguyễn Văn Cừ tháng 01/2015 - H 3.12; từ 0,833 lên 0,857 trạm Minh Khai tháng 02/2019 - H 3.15) 3.2.2 Kết mô vào mùa khô Dưới kết mô thực nghiệm thời gian vào mùa khô bao gồm: - Từ 00 ngày 04/07/2017 đến 23 ngày 10/07/2017; - Từ 00 ngày 06/09/2017 đến 23 ngày 12/09/2017; - Từ 00 ngày 06/09/2019 đến 23 ngày 12/09/2019 50,0 µg/m3 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 04/07/2017 00:00 05/07/2017 00:00 06/07/2017 00:00 PM2.5_QT 07/07/2017 00:00 PM2.5_AF 08/07/2017 00:00 09/07/2017 00:00 PM2.5_BF 10/07/2017 00:00 11/07/2017 00:00 Temp (°C) Hình 3.16: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 04/07/2017 đến 23 ngày 10/07/2017 trạm Nguyễn Văn Cừ 19 Kết hồi quy thể mối tương quan nồng độ PM2.5 trước sau đồng hóa với nồng độ PM2.5 cải thiện (R2 từ 0,929 lên 0,938 trạm Nguyễn Văn Cừ tháng 01/2015 - H 3.12; từ 0,833 lên 0,857 trạm Minh Khai tháng 02/2019 - H 3.15) 3.2.2 Kết mô vào mùa khô Dưới kết mô thực nghiệm thời gian vào mùa khô bao gồm: - Từ 00 ngày 04/07/2017 đến 23 ngày 10/07/2017; - Từ 00 ngày 06/09/2017 đến 23 ngày 12/09/2017; - Từ 00 ngày 06/09/2019 đến 23 ngày 12/09/2019 50,0 µg/m3 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 04/07/2017 00:00 05/07/2017 00:00 06/07/2017 00:00 PM2.5_QT 07/07/2017 00:00 PM2.5_AF 08/07/2017 00:00 09/07/2017 00:00 PM2.5_BF 10/07/2017 00:00 11/07/2017 00:00 Temp (°C) Hình 3.16: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 04/07/2017 đến 23 ngày 10/07/2017 trạm Nguyễn Văn Cừ µg/m3 20 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 06/09/2017 00:00 07/09/2017 00:00 08/09/2017 00:00 PM2.5_QT 09/09/2017 00:00 PM2.5_AF 10/09/2017 00:00 11/09/2017 00:00 PM2.5_BF 12/09/2017 00:00 13/09/2017 00:00 RH (%) Hình 3.19: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 06/09/2017 đến 23 ngày 12/09/2017 trạm Trung Yên 140,0 120,0 µg/m3 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 06/09/2019 00:00 07/09/2019 00:00 08/09/2019 00:00 PM2.5_QT 09/09/2019 00:00 PM2.5_AF 10/09/2019 00:00 11/09/2019 00:00 PM2.5_BF 12/09/2019 00:00 13/09/2019 00:00 RH (%) Hình 3.23: Tương quan, kết hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc mơ hình CMAQ trước sau đồng hóa từ 00 ngày 06/09/2019 đến 23 ngày 12/09/2019 trạm Minh Khai 24 lượng khơng khí Đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí mở phương pháp nhằm cung cấp công cụ cho công tác đánh giá chất lượng khơng khí Kiến nghị Dựa kết nghiên cứu, số kiến nghị nêu với mục đích tạo cơng cụ cho cơng tác giám sát mơi trường khơng khí, cụ thể sau: - Xây dựng số liệu phát thải cho khu vực Việt Nam vùng lân cận cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình CMAQ, nâng cao chất lượng kết mô phỏng, dự báo chất lượng không khí cho Việt Nam - Nghiên cứu ứng dụng loại ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (cả không gian thời gian) nhằm tận dụng tính ưu việt viễn thám đa phổ, đa thời gian tức thời diện rộng đồng thời cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ nhằm tăng cường chất lượng hiệu xuất mơ hình việc đánh giá chất lượng khơng khí phục vụ quản lý hoạch định sách nhằm nâng cao chất lượng khơng khí cho cộng đồng - Kết nghiên cứu cần phát triển để ứng dụng đánh giá chất lượng khơng khí phục vụ cơng tác đánh giá, dự báo xu hướng nhằm điều chỉnh hoạt động người góp phần nâng cao chất lượng khơng khí sức khỏe cộng đồng - Ngồi hệ thơng mơ hình WRF-CMAQ, mơ hình WRFChem phát triển cộng đồng người dùng ngày phát triển, việc nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình mục đích cần nghiên cứu đưa vào ứng dụng sống DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Trần Đăng Hùng, Dỗn Hà Phong, Hồng Thanh Tùng, Nguyễn Ngọc Anh, Lê Phương Hà, Nguyễn Thị Minh Hằng, Nguyễn Ngọc Kim Phượng, Nguyễn Hải Đông (2017), “Ứng dụng công nghệ GIS vệ tinh giám sát thay đổi hàm lượng bụi PM2.5 miền bắc Việt Nam (2000 - 2005 - 2010)”, Tuyển tập Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng, Thủy văn, Mơi trường Biến đổi khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Tr 476-482 Nguyễn Hải Đơng, Dỗn Hà Phong (2020), “Mối quan hệ thực nghiệm PM2.5 độ sâu quang học aerosol AOD khu vực nội thành Hà Nội”, Tạp chí Khí tượng thủy văn, 718, 10-2020, ISSN 2525 - 2208 Nguyễn Hải Đơng, Dỗn Hà Phong, Lê Ngọc Cầu (2020), “Ứng dụng phương pháp 4DVAR đồng hóa liệu AOD từ vệ tinh MODIS phục vụ dự báo nồng độ PM2.5 khu vực Hà Nội”, Tạp chí Khoa học Biến đổi khí hậu, 16, IV-2020, ISSN 2525 - 2495 23 CMAQ, nâng cao kết dự báo chất lượng khơng khí cho khu vực Hà Nội Phần mềm xử lý số liệu AOD nhằm loại bỏ số liệu có sai số thơ, khơng đạt tiêu chuẩn, không quán, đánh dấu cờ dựa độ tin cậy số liệu xây dựng, ứng dụng có kết rõ rệt mơ thử nghiệm cho khu vực Hà Nội Lợi ích số liệu vệ tinh MODIS đồng hóa áp dụng hệ thống mơ hình WRF-CMAQ cải thiện tính xác đầu vào mơ hình (IC, BC, lượng khí thải) dự báo Số liệu AOD từ vệ tinh MODIS đồng hóa vào CCTM cải thiện hiệu suất nồng độ nhiễm khơng khí bề mặt chất lượng khơng khí tái phân tích tốt Việc đồng hóa số liệu aerosol cịn gọi độ sâu quang học trích xuất từ số liệu vệ tinh MODIS Terra/Aqua Aerosol 5-Min L2 Swath km cải thiện đáng kể kết ước tính nồng độ PM2.5 hệ thống mơ hình WRF-CMAQ Hiệu suất mơ hình cải thiện với đồng hóa số liệu Nghiên cứu luận án xây dựng quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh AOD, cung cấp nguồn số liệu đầu vào cho mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ phục vụ cơng tác dự báo chất lượng khơng khí phù hợp với điều kiện Việt Nam mật độ trạm quan trắc trực tiếp cịn thưa, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng khu vực chưa lắp đặt trạm quan trắc Nói chung, việc đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí mang lại lợi ích đáng kể số liệu quan trắc truyền thống dạng điểm (mặc dù có nhiều trạm quan trắc) bề mặt đất không đủ đáp ứng yêu cầu việc đánh giá chất 24 lượng khơng khí Đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí mở phương pháp nhằm cung cấp công cụ cho công tác đánh giá chất lượng khơng khí Kiến nghị Dựa kết nghiên cứu, số kiến nghị nêu với mục đích tạo cơng cụ cho cơng tác giám sát mơi trường khơng khí, cụ thể sau: - Xây dựng số liệu phát thải cho khu vực Việt Nam vùng lân cận cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình CMAQ, nâng cao chất lượng kết mô phỏng, dự báo chất lượng không khí cho Việt Nam - Nghiên cứu ứng dụng loại ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (cả không gian thời gian) nhằm tận dụng tính ưu việt viễn thám đa phổ, đa thời gian tức thời diện rộng đồng thời cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ nhằm tăng cường chất lượng hiệu xuất mơ hình việc đánh giá chất lượng khơng khí phục vụ quản lý hoạch định sách nhằm nâng cao chất lượng khơng khí cho cộng đồng - Kết nghiên cứu cần phát triển để ứng dụng đánh giá chất lượng khơng khí phục vụ cơng tác đánh giá, dự báo xu hướng nhằm điều chỉnh hoạt động người góp phần nâng cao chất lượng khơng khí sức khỏe cộng đồng - Ngồi hệ thơng mơ hình WRF-CMAQ, mơ hình WRFChem phát triển cộng đồng người dùng ngày phát triển, việc nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình mục đích cần nghiên cứu đưa vào ứng dụng sống DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Trần Đăng Hùng, Dỗn Hà Phong, Hồng Thanh Tùng, Nguyễn Ngọc Anh, Lê Phương Hà, Nguyễn Thị Minh Hằng, Nguyễn Ngọc Kim Phượng, Nguyễn Hải Đông (2017), “Ứng dụng công nghệ GIS vệ tinh giám sát thay đổi hàm lượng bụi PM2.5 miền bắc Việt Nam (2000 - 2005 - 2010)”, Tuyển tập Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng, Thủy văn, Mơi trường Biến đổi khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Tr 476-482 Nguyễn Hải Đơng, Dỗn Hà Phong (2020), “Mối quan hệ thực nghiệm PM2.5 độ sâu quang học aerosol AOD khu vực nội thành Hà Nội”, Tạp chí Khí tượng thủy văn, 718, 10-2020, ISSN 2525 - 2208 Nguyễn Hải Đơng, Dỗn Hà Phong, Lê Ngọc Cầu (2020), “Ứng dụng phương pháp 4DVAR đồng hóa liệu AOD từ vệ tinh MODIS phục vụ dự báo nồng độ PM2.5 khu vực Hà Nội”, Tạp chí Khoa học Biến đổi khí hậu, 16, IV-2020, ISSN 2525 - 2495 ... tốn mơ hình hóa chất lượng khơng khí Trên sở đề tài nghiên cứu ? ?Nghiên cứu đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ khu vực Hà Nội? ?? chọn Để thực nghiên cứu này, số câu hỏi... đặt sau: - Đồng hóa số liệu cho mơ hình CMAQ thực module mơ hình? - Loại số liệu vệ tinh đáp ứng yêu cầu cho mục đích đồng hóa việc đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình CMAQ tiến hành nào? -... pháp sử dụng số liệu vệ tinh xây dựng số liệu đầu vào, quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh cho hệ thống mơ hình WRF -CMAQ nhằm tạo công cụ phục vụ đánh giá chất lượng khơng khí khu vực Hà Nội nói riêng