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

1 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề, lý lựa chọn đề tài Khơng khí lượng chất khí ln bao quanh chúng ta, khơng khí khơng có màu, khơng mùi, không vị yếu tố định sống người toàn sinh vật sống trái đất Thành phần khơng khí bao gồm nito (78,1% theo thể tích), oxy (20,9%), với lượng nhỏ agon (0,9%), điơxít cacbonic (dao động khoảng 0,035%), nước số chất khí khác mêtan, oxítnitơ, monoxít cacbon, hydro, ơzơn, hêli, nêon, kripton xênon Ngồi ra, cịn có phân tử bụi, khói, phân tử muối, phân tử tro núi lửa, bụi thiên thạch phấn hoa khí phủ dày đặc gần bề mặt Trái Đất nồng độ lỗng dần phía ngồi bầu khí bảo vệ sống Trái Đất cách hấp thụ xạ tia cực tím Mặt Trời tạo thay đổi nhiệt độ ngày đêm [7] 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] Ô nhiễm khơng khí vấn đề lớn mà tất quốc gia giới phải đối mặt, tốc độ phát triển thị cơng nghiệp nhanh chóng dẫn đến lượng lớn chất thải độc hại tiềm tàng thải vào khí Hậu nhiễm khơng khí ảnh hưởng đến sức khỏe hạnh phúc người, gây thiệt hại diện rộng cho thảm thực vật, trồng, động vật hoang dã khí hậu, làm cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên cần thiết cho phát triển kinh tế lâu dài Có nhiều quy chuẩn để đánh giá chất lượng khơng khí (CLKK) khác nhau, nhiên, nồng độ hạt lơ lửng khơng khí, đặc biệt bụi PM 2.5 bụi 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 bụi PM 2.5 mơi trường khơng khí phần cịn lại nghiên cứu Để đánh giá chất lượng không 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 tốn) 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 nguồn gốc, 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 Trên thực tế, nồng độ chất khơng khí định vận chuyển, khuếch tán, biến đổi hóa học theo thời gian lắng đọng bề mặt Do phương pháp đo đạc thiết bị trạm quan trắc đặt mặt đất phương pháp viễn thám mơ tả q trình vận chuyển, khuếch tán biến đổi hóa học Trong đó, phương pháp mơ hình hóa, cụ thể mơ hình CLKK cơng cụ số sử dụng để mô tả mối quan hệ nhân khí thải, khí tượng, nồng độ chất khơng khí, lắng đọng yếu tố hóa học khác Mơ hình CLKK mô tả phương pháp xác định đầy đủ vấn đề chất lượng khơng khí, bao gồm phân tích yếu tố nguyên nhân (nguồn phát thải, q trình khí tượng thay đổi vật lý hóa học) số định hướng việc thực biện pháp giảm thiểu [8] Hệ thống mơ hình chất lượng khơng khí đa qui mơ Community Multiscale Air Quality (CMAQ) hệ thống mơ hình có khả mơ q trình khí phức tạp ảnh hưởng tới biến đổi, lan truyền lắng đọng Đây hệ thống mơ hình chạy hệ điều hành Linux hồn tồn miễn phí CMAQ tiếp cận chất lượng khơng khí cách tổng qt với kỹ thuật đại vấn đề CLKK, bao gồm khí ơzơn tầng đối lưu, độc tố, bụi mịn, lắng đọng a xít, suy giảm tầm nhìn nhiều loại độc tố khơng khí CMAQ thiết kế đa quy mô để tạo mơ hình riêng biệt cho vùng thị hay nơng thơn Ðộ phân giải kích thước miền tính khác vài bậc đại lượng theo khơng gian thời gian Tính mềm dẻo theo thời gian cho phép thực mô nhằm đánh giá dài hạn chất ô nhiễm hay lan truyền ngắn hạn mang tính địa phương Tính mềm dẻo theo không gian cho phép sử dụng CMAQ để mơ phóng quy mơ thị hay khu vực [91] Tuy vậy, phương pháp mơ hình hóa, yếu tố số liệu đầu vào mơ hình có vai trị quan trọng, định đến độ xác kết mô dự báo CLKK đầu Yếu tố đầu vào mơ hình bao gồm yếu tố liên quan đến khí tượng độ ẩm, gió, nhiệt độ; yếu tố trạng thái CLKK yếu tố địa hình, lớp phủ Tuy nhiên, thực tế nay, chưa có phương pháp có khả cung cấp hồn chỉnh tồn số liệu đầu vào cho mơ hình chất lượng khơng khí mà cần phải có tích hợp từ nhiều nguồn số liệu khác nhau; từ nhiều phương pháp trích xuất số liệu khác Đây vấn đề khó khăn điểm mấu chốt cần giải tốn mơ hình hóa chất lượng khơng khí [4], [9], [11] Với nhu cầu cấp bách xã hội giám sát CLKK, nghiên cứu này, tác giả tập trung vào nghiên cứu tìm giải pháp kỹ thuật tích hợp số liệu vệ tinh sở phương pháp đồng hóa số liệu để xây dựng số liệu đầu vào cho mơ hình CMAQ thử nghiệm khu vực Hà Nội 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” lựa 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 mô hình sau số liệu vệ tinh đồng hóa nào? Hiệu việc đồng hóa số liệu vệ tinh việc giám sát ô nhiễm khơng khí? Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu áp dụng phép lọc Kalman tổ hợp (LETKF) để đồng hóa số liệu AOD từ vệ tinh MODIS, nâng cao độ xác ước tính nồng độ PM 2.5 khơng khí cho khu vực Hà Nội - Nghiên cứu đề xuất Quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh AOD sử dụng module WRFDA phục vụ công tác đánh giá chất lượng khơng khí phù hợp với điều kiện Việt Nam 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu a) Thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu; tài liệu khu vực nghiên cứu; tài liệu mơ hình WRF (The Weather Research and Forecasting Model) mơ hình CMAQ b) Thu thập số liệu: Số liệu khí tượng: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió, hướng gió, xạ; Số liệu nồng độ thành phần hạt PM 10 PM2.5; Số liệu độ sâu quang học (Aerosol Optical Depth - AOD) từ vệ tinh MODIS; Số liệu phát thải; số liệu khác có liên quan đến mơ chất lượng khơng khí c) Các nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp, thuật tốn đồng hóa số liệu, xác định - phương pháp đồng hóa tối ưu - Nghiên cứu hệ thống mơ hình WRF-CMAQ: cài đặt module hệ thống mơ hình; module đồng hóa số liệu; lựa chọn phương pháp đồng hóa tối ưu áp dụng trơng hệ thống mơ hình; u cầu số liệu đầu vào cho mơ hình, số liệu cho module đồng hóa; bước mơ mơ hình; kết đầu ra; module xử lý kết - Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu khí tượng, số liệu vệ tinh số liệu phát thải; xây dựng số liệu khí tượng đầu vào cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ; xử lý số liệu vệ tinh đáp ứng mục đích đồng hóa; xử lý số liệu phát thải cho mơ hình CMAQ - Nghiên cứu xây dựng quy trình mơ chất lượng khơng khí có khơng có đồng hóa số liệu vệ tinh hệ thống mơ hình WRF-CMAQ d) Thực nghiệm mô hệ thống mô hình WRF-CMAQ: Xác định miền mơ sở khu vực thực nghiệm; Xác định thời gian mô sở số liệu thu thập được; Tiến hành mơ theo quy trình xây dựng; Nghiên cứu, phân tích, so sánh kết mơ theo quy trình có khơng có đồng hóa số liệu vệ tinh; Đánh giá tác động q trình đồng hóa đến kết mô Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu Nồng độ bụi mịn PM2.5; Hệ thống mơ hình WRF-CMAQ; Phép lọc Kalman; Dữ liệu viễn thám Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS); Độ sâu quang học AOD - Phạm vi nghiên cứu Theo số liệu công bố, Hà Nội hai địa phương Việt Nam thường xun có tình trạng nhiễm khơng khí mức cao Mặt khác, số liệu trạm quan trắc nghiên cứu sinh thu thập được, để sử dụng làm đối sánh với kết mô phỏng, số liệu quan trắc cho năm 2015, 2017 2019 Do vậy, phạm vị nghiên cứu xác định, cụ thể sau: + Phạm vi không gian: nghiên cứu phạm vi khu vực Hà Nội vùng lân cận; + Phạm vi thời gian: nghiên cứu qua năm 2015, 2017 2019; + Phạm vi nội dung nghiên cứu: Đồng hóa số liệu vệ tinh AOD cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn lĩnh vực đo đạc, giám sát nhiễm khơng khí; - Phương pháp xử lý ảnh viễn thám: Thực công tác xử lý, tính tốn trực tiếp số liệu AOD, nồng độ bụi ảnh viễn thám MODIS; - Phương pháp mô 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 mô phỏng; Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học - Luận án cung cấp sở khoa học, phương pháp sử dụng số liệu vệ tinh xây dựng số liệu đầu vào cho hệ thống mơ hình WRF-CMAQ việc mơ phỏng, đánh giá chất lượng khơng khí khu vực Hà Nội - Luận án xây dựng quy trình đồng hóa số liệu vệ tinh cho mơ hình chất lượng khí đa quy mơ CMAQ nhằm tạo công cụ phục vụ đánh giá chất lượng không khí khu vực Hà Nội nói riêng Việt Nam nói chung 5.2 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 nhiễm khơng khí, phát triển kinh tế xã hội Đóng góp Thiết lập phương pháp việc đánh giá CLKK thơng 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 - 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 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 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HÓA 1.1 Tổng quan phương pháp quan trắc môi trường 1.1.1 Các phương pháp quan trắc môi trường Theo Luật Bảo vệ môi trường năm 2020 [5], thành phần môi trường yếu tố vật chất tạo thành mơi trường gồm đất, nước, khơng khí, sinh vật, âm thanh, ánh sáng hình thái vật chất khác Quan trắc môi tường việc theo dõi liên tục, định kỳ, đột xuất có hệ thống thành phần môi trường, nhân tố tác động đến môi trường, chất thải nhằm cung cấp thông tin đánh giá trạng môi trường, diễn biến chất lượng môi trường tác động xấu đến chất lượng môi trường Theo tác giả Andrew Knox [53], giám sát ô nhiễm không khí việc sử dụng cơng cụ, phương pháp khoa học toán học để đánh giá nồng độ tốc độ phát thải chất gây ô nhiễm khơng khí Có nghĩa là, giám sát nhiễm khơng khí theo dõi, quan sát mang tính chủ động thường xuyên quan chức CLKK tác động biện pháp tích cực nhằm hạn chế tình trạng nhiễm khơng khí, bảo đảm tác động nhiễm khơng khí đến sức khỏe, đời sống, hoạt động xã hội người dân mức thấp Ở Việt Nam, công tác giám sát nhiễm khơng khí dựa sở số liệu quan trắc theo quy định cụ thể thành phần vật chất gây ô nhiễm tồn khơng khí quy định Thông tư số 24/2017/TTBTNMT ngày 01 tháng năm 2017 [2] Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia CLKK xung quanh QCVN 05:2013/BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành năm 2013 [1], giá trị giới hạn thơng số khơng khí xung quanh quy định Bảng 1.1 Bảng 1.1 Giá trị giới hạn thông số khơng khí xung quanh Đơn vị: Microgam mét khối (μg/m ) TT Thông số SO2 CO NO2 O3 Tổng bụi lơ (TSP) Bụi PM10 Bụi PM2.5 Pb Cũng theo QCVN 05:2013/BTNMT, loại thông số khơng khí quy định phương pháp phân tích xác định khác chủ yếu dựa việc xác định nồng độ khối lượng chúng khơng khí a) Phương pháp xác định thiết bị quan trắc a.1) Thiết bị quan trắc đặt trạm quan trắc mặt đất Ở Việt Nam, phương pháp xác định thơng số khơng khí thiết bị quan trắc trạm quan trắc đặt mặt đất quy định QCVN 05:2013/BTNMT Thông tư số 24/2017/TT-BTNMT, cụ thể sau: - Xác định nồng độ khối lượng Sunfua điôxit (SO2) phương pháp huỳnh quang cực tím theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7726:2007 [15]: phương pháp dựa vào phát xạ ánh sáng huỳnh quang phân tử SO2 trước kích hoạt xạ UV Kỹ thuật đo bị chất hóa học gây nhiễu so với kỹ thuật hành khác, nhiên, hợp chất sau ảnh hưởng đến phép xác định lưu huỳnh dioxit: hydro sunfua, 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. .. vào nghiên cứu tìm giải pháp kỹ thuật tích hợp số liệu vệ tinh sở phương pháp đồng hóa số liệu để xây dựng số liệu đầu vào cho mơ hình CMAQ thử nghiệm khu vực Hà Nội Trên sở đề tài nghiên cứu “Nghiên