Dựa trên cơ sở phương pháp điểm biên, phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển và các số liệu đầu vào, chương trình tính toán được xây dựng theo sơ đồ thuật toán nêu trong đầu chương 3 phục vụ cho việc xử lý và lưu trữ số liệu, chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, số liệu và kết quả tính toán được lưu trữ dưới định dạng NerCDF.
Các phần trong chương trình tính được viết dưới dạng các function hay các hàm tính toán. Toàn bộ mã nguồn của chương trình tính được nêu trong phần phụ lục II. Các hàm tính được diễn giải như sau:
txt2nc: hàm này có nhiệm vụ chuyển đổi số liệu do LIDAR thô sau khi
quan trắc từ định dạng text sang NetCDF, ngoài ra toàn bộ các thông số trong kỳ quan trắc cũng được ghi vào file, phục vụ lưu trữ và tính toán sau này.
Yêu cầu đầu vào:
- RAW_PATH: đường dẫn thư mục chứa số liệu đo LIDAR - LIDAR_CONFIG_PATH: file chứa thông số kỳ quan trắc - result_path: đường dẫn cho file NetCDF
run_main: Chương trình chính đảm nhiệm việc gọi các hàm tính toán
và trả về kết quả tính toán, ghi lại kết quả vào file NetCDF. Yêu cầu đầu vào:
- Đường dẫn tới thư mục số liệu - Thông tin về thời gian quan trắc - Tỉ số LIDAR
- Độ cao tham chiếu
- Hệ số a trong phương pháp WCT
run_fernald84: Hàm tính toán các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR
Yêu cầu đầu vào:
- Đường dẫn tới thư mục số liệu LIDAR
- Đường dẫn tới thư mục số liệu bóng thám không, nếu không có chương trình tự động chuyển sang sử dụng số liệu mô hình khí quyển ISA. - Tỉ số LIDAR
- Độ cao tham chiếu
- Hệ số a trong phương pháp WCT Đầu ra:
- Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách - Độ cao lớp biên
- Hệ số suy hao xon khí - Hệ số tán xạ ngược xon khí
cal_alpha_beta: Hàm tính toán hệ số suy hao xon khí và hệ số thán xạ
ngược xon khí
wct: Hàm tính độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR
cal_sounding: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược
phân tử từ số liệu bóng thám không.
cal_std_atm: Hàm tính hệ số suy hao phân tử, hệ số tán xạ ngược phân
tử từ số liệu mô hình khí quyển ISA.
overlap_func: Hàm tính hàm chồng chập của hệ thống LIDAR. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể
3.1.3. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết bị LIDAR IGP
Kỳ quan trắc ngày 09/03/2018: được thực hiện trong khoảng 13 phút,
tổng số xung Laser được phát đi và thu về tại cảm biến là khoảng 7800 xung, số xung tín hiệu ghi được về máy tính là 2001 xung với mỗi xung chứa thông tin của 512 xung tín hiệu thực tế được trung bình. Tại thời điểm quan trắc, trong tầm nhìn của hệ LIDAR hầu như không tồn tại mây.
Hệ thống LIDAR được thiết lập quan trắc với góc ngẩng 25o, hướng chiếu về phía Đông, độ phân giải theo phương truyền của LIDAR đạt 3m và độ phân giải thẳng đứng đạt 1,267m.
Tín hiệu được xử lý thô theo sơ đồ thuật toán, loại bỏ nhiễu nền và thực hiện hiệu chỉnh khoảng cách, sau đó thông số đầu tiên được chiết suất là độ cao lớp biên khí quyển bằng phương pháp WCT, kết quả cho thấy trong kỳ quan trắc này, độ cao lớp biên trung bình là 742.3 m, thể hiện trên Hình
Hình Error! No text of specified style in document..15 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu)
ngày 09/03/2018 (Giờ UTC)
Hệ số suy hao được tính toán bằng phương trình 2-10 với tiến trình tích phân ngược từ điểm tham chiếu về mực thấp hơn, độ cao tham chiếu là 5000m, tỉ số LIDAR Lp = 40 sr. Qua kết quả tính toán, kỳ quan trắc này cho thấy có 3 lớp xon khí tồn tại trong tầng đối lưu, lớp dưới cùng được giới hạn bởi lớp biên khí quyển, lớp ở giữa cho thấy sự suy giảm ở hệ số suy hao có độ cao từ 750m cho tới khoảng 2200m, lớp trên cùng từ 2200m trở lên tới 3500m, kết quả tính toán cho một xung đơn được thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in document..16, mô tả kết quả tính toán theo thời
gian được thể hiện trên Hình Error! No text of specified style in document..17.
Từ kết quả tính toán hệ số suy hao, độ dày quang học xon khí được tính toán cho thấy với xung đơn trên hình Hình Error! No text of specified style
in document..16 độ dày quang học xon khí tăng từ dưới lên trên và hầu như
toán đạt 0,76, số liệu AOD ngày từ AERONET là 0,55 tại bước sóng 500nm (Hình Error! No text of specified style in document..18).
Hình Error! No text of specified style in document..16 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ
dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:21 ngày 09/03/2018.
Hình Error! No text of specified style in document..17 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018.
Hình Error! No text of specified style in document..18 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/03/2018
Kỳ quan trắc ngày 09/04/2018: Tiến trình xử lý tương tự kỳ quan trắc
ngày 09/03/2018.
Kết quả tính toán độ cao lớp biên trung bình trong cả kỳ quan trắc bằng phương pháp WCT đối với số liệu LIDAR là 994,4956m và từ bóng thám không là 789,2919m (Hình Error! No text of specified style in document..19 Hình Error! No text of specified style in document..20).
Hình Error! No text of specified style in document..19 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính toán từ số liệu hiệu chỉnh khoảng cách (phủ màu)
ngày 09/04/2018 (Giờ UTC)
Kết quả tính toán hệ số suy hao cũng cho thấy có 3 lớp xon khí tồn tại trong khí quyển, tương tự với kỳ quan trắc ngày 09/03/2018 tuy nhiên có sự khác biệt về độ cao của các lớp này. Lớp thứ nhất ở phía dưới độ cao lớp biên khí quyển, lớp tiếp theo từ độ cao lớp biên cho tới khoảng 1,5km, lớp trên từ khoảng 1,5km cho tới khoảng 3km (Hình Error! No text of specified style in
document..22).
Độ dày quang học xon khí cũng được tính toán, với xung đơn trên Hình
Error! No text of specified style in document..21 cho thấy AOD tăng liên
tục cho tới độ cao 3500m thì bắt đầu giữ mức ổn định, tổng AOD cho xung đơn là 0.87, trung bình tổng AOD cho cả kỳ quan trắc đạt 0,77, số liệu AOD ngày từ AERONET là 0,717 tại bước sóng 500nm (Hình Error! No text of specified style in document..23).
Hình Error! No text of specified style in document..20 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám không trong kỳ quan trắc ngày
09/04/2018
Hình Error! No text of specified style in document..21 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và tổng độ
Hình Error! No text of specified style in document..22 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018
Hình Error! No text of specified style in document..23 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày 09/04/2018
3.1.4. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017
Kỳ quan trắc được thực hiện trong khoảng 35 phút, chế độ đo trung bình 512 xung tương đương một xung ghi lại là số liệu trung bình trong 51,2 giây. Do đặc tính số liệu tại đô cao càng lớn thì tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu cao nên trong lỳ quan trắc mây Ci này một bộ khuyếch đại được sử dụng để khuếch đại tín hiệu, việc này đồng nghĩa với tín hiệu tại mực thấp hơn 1,5km sẽ không có ý nghĩa (Hình Error! No text of specified style in document..26a). Tuy nhiên nhờ việc sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu nên lớp
mây Ci trên cao đã hiện rõ hơn và dễ nhận biết hơn (Hình Error! No text of
Hình Error! No text of specified style in document..24 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
Theo biểu đồ lát cát theo thời gian tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách cho kỳ quan trắc này, có thể nhận thấy một lớp mây Ci độ dày khoảng 700 m tồn tại từ khoảng 9 km tới 9,7 km (Hình Error! No text of specified style in document..24).
Theo kết quả tính toán, hệ số suy hao của lớp mây Ci này đạt giá trị lớn nhất khoảng 1x10-4/m tại độ cao khoảng 9400m (Hình Error! No text of specified style in document..25, Hình Error! No text of specified style in document..26).
Hình Error! No text of specified style in document..25 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
Hình Error! No text of specified style in document..26 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số suy hao (c) và hệ số suy
3.1.5. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám không
Trên Hình Error! No text of specified style in document..27 và Hình
Error! No text of specified style in document..28 là hai trường hợp cụ thể
về độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET. Kết quả cho thấy độ cao lớp biên tính toán được từ hai bộ số liệu này cho kết quả sai khác với nhau không nhiều, có trường hợp cho sai khác rất nhỏ (00h00 UTC ngày 29/09/2012).
Trong trường hợp ngày 01/06/2012, độ cao lớp biên lúc 00h UTC cho thấy giá trị cao hơn với số liệu bóng thám không và lúc 12h UTC thì cao hơn với số liệu LIDAR MPLNET.
Với trường hợp ngày 29/09/2012 thì tại lúc 00h UTC thì độ cao lớp biên tính từ hai nguồn số liệu trên có độ sai khác không nhiều, khoảng 30 m, số liệu LIDAR cho độ cao lớn hơn. Tại 12h UTC cho thấy có sự sai lệch khá lớn (khoảng 400m) giữa hai nguồn số liệu này.
Hình Error! No text of specified style in document..27 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại
ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h (phải) UTC.
Hình Error! No text of specified style in document..28 Độ cao lớp biên được tính toán bằng số liệu bóng thám không và số liệu LIDAR MLPNET tại
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong luận văn này đã thực hiện được các công việc xử lý tính toán, phân thích và đánh giá các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR cho một số trường hợp cụ thể bằng hai bộ số liệu LIDAR MPLNET và LIDAR IGP, các kết quả thu được được đã được so sánh đánh giá với các nguồn số liệu tham chiếu là số liệu bóng thám không cho việc tính hệ số suy hao gây ra bởi xon khí bằng phương pháp điểm biên, tính độ cao lớp biên bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai, số liệu AOD từ AERONET cho việc tính toán AOD từ số liệu LIDAR IGP . Các kết quả thu được cụ thể như sau:
- Xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý số liệu cho hệ thống LIDAR IGP.
- Tính toán và phân tích được các thông số khí quyển cho một số trường hợp nghiên cứu, cụ thể là các kỳ quan trắc xon khí ngày 09/03/2018 và 09/04/2018 bằng thiết bị LIDAR IGP, độ dày quang học xon khí được so sánh với số liệu từ máy đo quang phổ kế AERONET và cho kết quả tốt vào kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 (LIDAR: 0.77 và AERONET: 0.717), kỳ quan trắc còn lại cho kết quả có sự sau khác (LIDAR: 0.76 và AERONET: 0.55).
- Tính toán và phân tích được một trường hợp quan trắc mây Ci trên cao tại khu vực Hà Nội ngày 25/12/2017, lớp mây Ci quan trắc được có độ dày khoảng 700m và nằm ở độ cao từ 9 km tói 9,7 km, phù hợp với các đặc điểm khí hậu tại Việt Nam.
- Tính toán được độ cao lớp biên từ hai nguồn số liệu LIDAR và bóng thám không, kết quả cho thấy có sự sai khác không nhiều giữa hai bộ số liệu này.
- Một bộ số liệu LIDAR được thành lập lưu trữ với định dạng NetCDF để phục vụ cho lưu trữ và các nghiên cứu sau này. Số lượng các trường hợp cụ thể được sử dụng trong luận văn tuy chưa nhiều nhưng đa phần cho kết quả khả quan, cho thấy được sự tin cậy của các bộ số liệu và thiết bị LIDAR quan trắc khí quyển.
Với các kết quả đạt được trong luận văn và hiện trạng về nghiên cứu ứng dụng LIDAR trong quan trắc khí quyển ở trong và ngoài nước cho thấy sự hạn chế về thiết bị dẫn tới nhiều mảng quan trắc có thể sử dụng LIDAR vẫn còn bỏ ngỏ, trong các nghiên cứu tiếp theo cần có sự nâng cấp về thiết bị và tăng cường nghiên cứu chuyên sâu về các quá trình vi vật lý của các đối tượng trong khí quyển có thể quan trắc bằng LIDAR để áp dụng công nghệ này rộng rãi hơn.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Elsevier, Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, in Encyclopedia Of Atmospheric Sciences, G.R. North, J. Pyle, and F. Zhang, Editors. 2015, Elsevier.
2. Hulbert, E.O., Observations of a Searchlight Beam to an Altitude of 28 Kilometers. J. Optical Soc. Amer, 1937. 27.
3. Fiocco, G. and Smullin, L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60–140 km) by Optical Radar. Nature, 1963. 199: p. 1275–1276.
4. Ligda, M.G.H. Meteorological observations with pulsed laser radar. in
The 1st Conferenceon Laser Technology. 1963. San Diego, CA, U.S. Navy ONR.
5. Fujii, T. and Fukuchi, T., eds. Laser Remote Sensing. 2005, CRC Press. 6. Fernald, F.G., Herman, B.M., and Reagan, J.A., Determination of
Aerosol Height Distributions by Lidar. J. Appl. Meteorol, 1972. 11: p.
482-489.
7. Klett, J.D., Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. Appl Opt, 1981. 20(2): p. 211-220.
8. Fernald, F.G., Analysis of atmospheric lidar observations: some comments. Appl Opt, 1984. 23(5): p. 652.
9. Brooks, I.M., Finding Boundary Layer Top: Application of a Wavelet Covariance Transform to Lidar Backscatter Profiles. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003. 20(8): p. 1092-1105. 10. Chan, P.W., Determination of Backscatter-Extinction Coefficient Ratio
for LIDAR-Retrieved Aerosol Optical Depth Based on Sunphotometer Data. Remote Sensing, 2010. 2(9): p. 2127-2135.
11. Porter, J.N., Lienert, B.R., Sharma, S.K., et al., A Small Portable Mie – Rayleigh Lidar System to Measure Aerosol Optical and Spatial Properties. American Meteorological Society, 2002: p. 1873-1877. 12. Ware, J., Kort, E.A., DeCola, P., et al., Aerosol lidar observations of
atmospheric mixing in Los Angeles: Climatology and implications for greenhouse gas observations. J Geophys Res Atmos, 2016. 121(16): p. 9862-9878.
13. Mei, L., Guan, P., Yang, Y., et al., Atmospheric extinction coefficient retrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidar technique. Opt Express, 2017. 25(16): p. A628-A638.
14. Liu, Q., He, Q., Fang, S., et al., Vertical distribution of ambient aerosol extinctive properties during haze and haze-free periods based on the Micro-Pulse Lidar observation in Shanghai. Sci Total Environ, 2017.
574: p. 1502-1511.
15. Anh, N.X. and Quan, L.N., Nghiên cứu ứng dụng LIDAR trong nghiên cứu mây Ci. Tuyển tập các công trình nghiên cứu Viện Vật lý địa cầu. 2008.
16. Anh, N.X., Nghiên cứu đánh giá thông lượng và các đặc trưng cơ bản của sol khí (aerosol) và đề xuất các giải pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng công tác dự báo thời tiết, ứng phó biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường. 2014.
17. Thành, P.X., Anh, N.X., Trung, Đ.V., et al., Nghiên cứu thông số khí quyển sử dụng quan trắc vệ tinh và đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng của khí quyển lên chất lượng ảnh vệ tinh”, Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước về công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012 – 2015. 2016.
18. Tuan, A.D., Anh, N.X., and Hung, T.P., The Simulation of aerosol lidar developed at the Institute of Geophysics, in The International Conference on Research Development and Cooperation in Geophysics. 2017, Publishing House For Science and Technology: Hanoi.
19. Tuan, N.X., Trung, D.V., Binh, N.T., et al., Measurement of the Upper Tropospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi Using a