Quan trắc vệ tinh từ không gian vũ trụ chủ yếu là loại đo xa thụ động và nguyên tắc dựa vào tương tác của 3 thành phần bức xạ (phát xạ, hấp thụ và phản xạ và nguyên tắc dựa vào đặc thù phổ điện từ của đối tượng đo. Ứớc lượng mưa từ vệ tinh có thể sử dụng thông tin vệ tinh sau: (1) Sử dụng ảnh hồng ngoại (bức xạ điện từ 0,72 - 15µm) để ước lượng mưa. Phương pháp này dựa vào một thừa nhận là lượng mưa tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của đỉnh mây, khi nhiệt độ đỉnh mây càng lạnh thì mây phát triển càng cao, dòng thăng mạnh, lượng nước giáng càng lớn, do đó lượng mưa rơi xuống được bề mặt sẽ càng nhiều. Từng cặp trị số nhiệt độ chói và lượng mưa được xây dựng đồ thị quan hệ để ước lượng mưa. (2) Phương pháp ước lượng mưa lớn có hiệu chỉnh mây nóng. Nói chung, mây càng lạnh thì mưa càng lớn, thay vì xác định nhiệt độ đỉnh mây, các tác giả lấy mức xám, nhưng đối với mây ấm thì vấn đề không hoàn toàn như vậy, vì vậy ược lượng mưa đã được phát triển dựa trên các quan hệ giữa giáng thuỷ và một số các đặc trưng mây, bao gồm nhiệt độ mây, gradient nhiệt độ mây, khuynh hướng biến động của mây, v.v… (3) Phương pháp ước lượng mưa dựa trên viễn thám siêu cao tần (bức xạ điện từ từ 1mm đến 1m) khác với các phương pháp dựa trên ảnh hồng ngoại của vệ tinh địa tĩnh. Thiết bị siêu cao tần đo trực tiếp cường độ/lượng mưa mà không dựa vào nhiệt độ đỉnh mây và cho kết quả khá tốt, nhưng ước lượng mưa từ cảm biến siêu cao tần còn rất thưa thớt theo không gian và thời gian. Vì vậy, người ta thường kết hợp thông tin hồng ngoại siêu cao tần và địa tĩnh từng theo từng ô vuông độ kinh vĩ và phát triển thuật toán giữa nhiệt độ chói hồng ngoại và lượng mưa từ các ô vuông đó dựa trên những đo dạc vệ tinh cùng định vị [17].
Với sự phát triển của kỹ thuật viễn thám, một loạt các thuật toán phân tích lượng mưa dựa trên vệ tinh đã được đề xuất bằng cách kết hợp từ các cảm biến khác nhau như hồng ngoại (Infrared-IR) và siêu cao tần thụ động (Passive microwave- PMW), như phân tích lượng mưa nhiều vệ tinh (Multi-satellite Precipitation Analysis-TMPA) của TRMM ( Nhiệm vụ Đo mưa Nhiệt đới , Tropical Rainfall Measuring Mission-TRMM) [26], Công nghệ Morphing của Trung tâm Dự báo Khí hậu (Climate Prediction Center MORPHhing technique-CMORPH) [27], Mưa của Bản đồ Vệ tinh Toàn Cầu (Global Satellite Mapping of Precipitation-GSMaP) [28], ước tính lượng mưa vệ tinh từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ (Naval Research Laboratory-NRL) [30] và Ứớc lượng lượng mưa từ viễn thám sử dụng mạng thần kinh nhân tạo (Precipitation Estimation from Remotely Sensed using Artificial Neural Networks-PERSIANN) [31].
Bảng 2.3 thể hiện các sản phẩm mưa được phân tích từ vệ tinh, tuy nhiên còn nhiều sản phẩm lượng mưa khác ở các độ phân giải không gian khác nhau rất đa dạng và phong ph .
Bảng 2. 2. t số sản phẩm được phân tích từ vệ tinh có thể khai thác được
Sản phẩm Thời kỳ có số li u Phân giải không gian
CHIRPSv2.0 1981-hiện tại 0.050 (5.3km)
TRMM 3B42 1998-hiện tại 0.25 (27km)
PERSIANN-CDR 1983-hiện tại 0.25 độ (4km) PERSIANN-CCS 2003-hiện tại 0.04 độ (4km)
CMORPH 2002-hiện tại 0.25 (27km)
MSWEPv1.1 1979-2014 0.25 (27km)
Dưới đây sẽ giới thiệu khái quát về một số sản phẩm mưa vệ tinh đã và đang được sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu, giám sát hạn hán:
- Lượng mưa của TRMM, phiên bản 7.0 là sản phẩm được phối hợp giữa NASA và Cơ quan Thám hiểm Không gian Vũ trụ Nhật Bản (Japan Aerospace Exploration Agency-JAXA) trong việc nghiên cứu và giám sát mưa nhiệt đới và cận nhiệt đới. Các sản phẩm lượng mưa được sử dụng rộng rãi nhất là phân tích mưa bằng nhiều vệ tinh TMPA.
TMPA đã nhận được nhiều sự quan tâm sau khi ra mắt của TRMM vào tháng 11 năm 1997. TMPA có sẵn cho các chuỗi thời gian trong quá khứ (3B42) và trong thời gian thực (3B42RT). Phiên bản thứ 7 đã phát hành vào tháng 12 năm 2012 được cho là chính xác hơn khi sửa đổi chính về thuật toán. Nhiều tác giả đã sử dụng mưa của TRMM để nghiên cứu với nhiều mục đích khác nhau và cho thấy, sản phẩm này có tiềm năng cung cấp dữ liệu về không và thời gian rất tốt cho các ứng dụng trong khí tượng thuỷ văn như chạy các mô hình thủy văn hay giám sát hạn hán (Kaptue, 2015) [33].
Sản phẩm mưa PERSIANN-CDR (Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks - Climate Data Record) cũng đã và đang được ứng dụng khá phổ biến trong nghiên cứu khí tượng, thủy văn. PERSIANN-CDR được phát triển bởi Trung tâm Khí tượng Thủy văn và Viễn thám (Center for Hydrometeorology and Remote Sensing-CHRS), Đại học California, Irvine (UCI). PERSIANN-CDR được tạo ra từ thuật toán mạng thần
kinh nhân tạo (PERSIANN) sử dụng dữ liệu hồng ngoại GridSat-B1 và được điều chỉnh bằng cách sử dụng lượng mưa tháng của dự báo khí hậu toàn cầu để duy trì tính nhất quán của số liệu. Sản phẩm lượng mưa PERSIANN-CDR của UCI có sẵn dưới dạng số liệu khí hậu tại trang web: http://chrsdata.eng.uci.edu/
Sản phẩm mưa PERSIANN- CCS Cloud Classification System ) là sản phẩm mưa vệ tinh của Trung tâm CHRS tại UCI có phân giải không gian khá cao (0.04 độ). PERSIANN-CCS cho phép phân loại các tính năng vá đám mây dựa trên chiều cao của đám mây, phạm vi khu vực, cấu trúc thay đổi của mây và sử dụng thuận toán phân loại đám mây theo ngưỡng thay đổi (the variable threshold cloud segmentation algorithm). Điều này, cho phép nhận dạng và tách các đám mây riêng biệt, ngược lại với phương pháp tiếp cận ngưỡng truyền thống là hằng số (the traditional constant threshold approach). Cách phân loại này giúp phân bổ giá trị lượng mưa phù hợp cho các pixel trong mỗi đám mây. Sản phẩm PERSIANN-CCR có sẵn dưới dạng số liệu khí hậu tại: http://chrsdata.eng.uci.edu/
Lượng mưa của CHIRPS, phiên bản 2.0 (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Stations) là sản phẩm của Trung tâm Dự báo khí hậu (CPC- NOAA) và Hệ thống dự báo khí hậu phiên bản 2 (CFSv2) được phát triển bởi nhóm các chuyên gia nghiên cứu về Thiên tai khí hậu và Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (Geological Survey and the Climate Hazards Group) tại Trường Đại học California. CHIRPS kết hợp lượng mưa từ đồng bộ năm sản phẩm vệ tinh khác nhau, với hơn 2000 trạm quan trắc mặt đất để hiệu chỉnh [26].
Số liệu của CHIRP có thể thu thập được từ websize ftp://chg- ftpout.geog.ucsb.edu/pub/org/chg/products/CHPclim/netcdf/.
Nhận thấy, để có thể nghiên cứu ứng dụng sản phẩm lượng mưa được phân tích từ vệ tinh (mưa vệ tinh) phục vụ nghiên cứu đánh giá, giám sát hạn hán cho khu vực quy mô nh , đòi h i sản phẩm phải có độ phân giải không gian và thời gian cao. Luận văn này chưa có điều kiện so sánh và đánh giá hết các sản phẩm mưa vệ tinh và chỉ lựa chọn 3 sản phẩm mưa, trong đó có 2 sản phẩm mưa vệ tinh có độ phân giải không gian cao là CHIRPv2, PERSIANN-CCR và một sản phẩm có độ phân giải không gian vừa phải PERSIANN-CDR. Mặc dù PERSIANN-CCR có độ phân giải thời gian không cao, tuy nhiên luận văn sử dụng để so sánh đánh giá sơ bộ với các sản phẩm khác nhằm hi vọng có thể ứng dụng sản phẩm này trong tương lai cho khu vực tỉnh Thanh Hóa. Trong ba loại sản phẩm lượng mưa này đều được định dạng dưới 2 loại Netcdf và Tif có thể sử dụng các phần mềm như CDO (Climate Data Operations), Grads, Arcview và Arc Gis để tính toán, đánh giá.