Trong phần này chúng tôi tiến hành so sánh kết quả dữ liệu đo của hệ lidar nhỏ với kết quả ghi nhận từ hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd công suất cao hoạt động ở kênh bước sóng 532 nm đo theo phương thẳng đứng quan trắc đồng thời tại Viện Vật lý. Trong Hình 3.8 là tín hiệu ghi nhận đối với hệ lidar sử dụng laser công suất cao YAG: Nd và hệ lidar sử dụng laser diode công suất nhỏ. Hệ lidar sử dụng laser diode hoạt động tại bước sóng 905 nm được thiết lập đo theo phương hợp với phương ngang góc 75o. Sau khi tín hiệu đã được chuẩn hóa theo góc thiên đỉnh và khoảng cách được thể hiện trong Hình 3.8. Trong cả hai tín hiệu ghi nhận của hai hệ lidar chúng ta đều thấy sự tồn tại của lớp son khí trường gần với độ cao đỉnh ~1,5 km và sự tồn tại của lớp mây tầng cao ở độ cao
Phép đo thực hiện với hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd 532 nm
Hình 3.8: Tín hiệu tán xạ đàn hồi của hai hệ lidar độc lập ghi nhận đồng thời từ 20h tới 24h ngày 18/11/2012.
Độ c
ao (km)
20h 22h 24h
~3 km. Kết quả của hai phép đo này là hoàn toàn phù hợp và đáng tin cậy đối với cả hệ lidar nhiều bước sóng sử dụng laser YAG: Nd công suất lớn và hệ lidar sử dụng laser diode năng lương nhỏ.
Sự khác biệt xảy ra giữa hai tín hiệu là do vị trí đặt của hai hệ khác nhau, đối tượng quan sát là khác nhau. Hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd được đặt tại tầng 9 của tòa nhà 2H và quan trắc theo phương đứng. Hệ lidar sử dụng laser diode được đặt tại tầng 7 và quan sát theo phương hợp với phương ngang một góc 75o. Trong thời gian tới chúng tôi tiếp tục cải tiến với mục đích thiết kế một hệ lidar quét 3 chiều tự động và nhỏ gọn phục vụ nghiên cứu và đạo tạo dựa trên cơ sở hệ lidar sử dụng laser diode này.
3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học
Tôi lựa chọn tín hiệu lidar quan trắc vào hồi 20h ngày 21 tháng 11 năm 2012, ngày đó có sự tồn tại son khí với mật độ thấp, không có sự đứt gẫy đột ngột về mật độ trong khoảng cách dưới 5 km, như trên hình 3.9. Trong đồ thị chúng ta thấy rõ sự phù hợp tốt giữa 3 đường tín hiệu trong miền không gian trên 5 km, điều đó thể hiện chất lượng tín hiệu của hệ đo ghi nhận là đáng tin cậy. Ở khoảng cách dưới 5 km khi có sự xuất hiện của son khí trong lớp bề mặt
Độ cao (km)
Hình 3.9: Cường độ tín hiệu của lớp son khí bề mặt khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo, khảo sát 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 [16].
Tín hiệu tán xạ đàn hồi Tín hiệu tán xạ Raman Tín hiệu radiosonde L og ( I.z 2 ) (a.u )
ta thấy cường độ tín hiệu đàn hồi tăng mạnh ngược lại cường độ tín hiệu Raman lại suy giảm do đóng góp hấp thụ ở bước Raman 607 nm của lớp son khí này.
Độ sâu quang học OD – Optical Depth được xác định bằng biểu thức 2.6 trong chương 2 của luận án. Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng bức xạ quang bị mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi trường. Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ mặt đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%. Thông số độ sâu quang học cho phép xác định tỉ lệ phần trăm năng lượng bị hấp thụ tại bước sóng khảo sát. Qua đó chúng ta có thể đánh giá vai trò của lớp son khí tầng thấp trong quá trình hấp thụ năng lượng mặt trời và là thông số quan trọng được quan tâm trong các mô hình theo dõi và dự báo sự biến đổi khí quyển [24, 28, 89, 97, 100].
3.4. Đặc trƣng suy hao
Sử dụng chương trình xử lý số liệu, trực tiếp từ tín hiệu Raman chúng ta tìm được hệ số suy hao của son khí trong lớp tầng thấp. Đây là một ngày điển hình về sự đóng góp với mật độ lớn của lớp son khí dưới 5 km. Đỉnh của lớp son Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày 20h ngày 31/10/2012. 2 4 6 8 10 12 14 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Op ti ca l d ep th Height (Km) Độ sâu q u an g h ọc Khoảng cách (km) Lớp son khí tầng thấp
khí bề mặt ở độ cao dưới 1 km và trên đó trong khoảng từ 2 km tới 3,5 km tồn tại một lớp son khí có mật độ thấp hơn phân bố khá đối xứng theo dạng Gauss đạt đỉnh suy hao ở độ cao ~2,7 km với hệ số suy hao ~0,16 km-1, như trong Hình 3.11. Phép đo thực hiện vào lúc 20h ngày 21 tháng 11 năm 2012 tại Hà Nội trên kênh tín hiệu Raman, kết quả này được nhóm tác giả công bố trong công trình [20], kết quả này là khá phù hợp với một số kết quả của các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới trong các công bố [74] và [78].
3.5. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc
Sử dụng chương trình số xây dựng trên thuật toán độc lập sử dụng tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi từ hệ lidar nhiều bước sóng chúng tôi xác định hệ số tán xạ ngược của lớp son khí tầng thấp trong khí quyển. Trong Hình 3.12 là ví dụ về sự thay đổi của hệ số tán xạ ngược đối với lớp son khí tầng thấp theo độ cao. Kết quả được rút ra từ tín hiệu tán xạ đàn hồi thu nhận trên hệ lidar nhiều bước sóng đối với kênh tán xạ đàn hồi theo phương phân cực song song tại bước sóng 532 nm, kết quả này là hoàn toàn phù hợp với những kết quả công bố của một vài nhóm tác giả trong các bài báo như [74, 82…].
Độ sâu qua
ng h
ọc
Khoảng cách (km)
Hình 3.11: Hệ số suy hao của son khí tầng thấp tại Hà Nội lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012. 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Khoảng cách (km) Hệ số su y h ao (km -1 )
3.6. Đặc trƣng tỉ số lidar
Từ giá trị của hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược chúng ta xác định tỉ số lidar đặc trưng của son khí tầng thấp trong phép đo lúc 20h ngày 21 tháng 11 năm 2012, thực hiện tại Hà Nội. Chúng ta có thể đánh giá đó là ngày trời khá trong (với hệ số truyền qua khoảng 50%), các thông số quang đặc trưng của lớp son khí tầng thấp nhỏ hơn giá trị trung bình đối với đối tượng son khí phổ biến ở đô thị, thông thường giá trị tỉ số lidar xấp xỉ 50 như một số công bố sau đây: [74, 78, 82, 93, 106].
Độ sâu qua
ng h
ọc
Khoảng cách (km)
Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp trong khí quyển trên bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 25 30 35 40 45 50 55 Khoảng cách (km) T ỉ số l id ar Độ sâu qua ng h ọc
Hình 3.12: Hệ số tán xạ ngược của son khí tầng thấp dưới 3,5 km khảo sát lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012. 1 1.5 2 2.5 3 3.5 2 3 4 5 x 10-3 Khoảng cách (km) Hệ số t án xạ n gƣợ c ( k m -1 )
Tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí dưới 3,5 km tại thời điểm phép đo nhận giá trị 40 ± 11, giá trị trên so sánh với những kết quả của các công bố khác chúng ta nhận thấy trị số thu được tại Hà Nội xấp xỉ giá trị ghi nhận tại một số thành phố trẻ khác trên thế giới như Bắc Kinh là 38 ± 7, các thành phố nam Ấn Độ là 47 ± 6 nhưng lại thấp hơn so với các trung tâm thành phố đã lâu đời của châu Âu có giá trị 53 ± 11.
Chúng ta có thể đánh giá gì về tham số tỉ số lidar? Tỉ số lidar được hiểu là tỉ số giữa năng lương quang được tán xạ ngược so với năng lượng quang bị suy hao do môi trường gây ra. Tỉ số lidar càng nhỏ thể hiện đóng góp của hạt son khí làm suy giảm năng lượng quang truyền qua càng lớn hay nói cách khác mức độ mù của son khí và khả năng làm giảm tầm nhìn càng tăng hoặc chúng ta có thể hiểu điều đó tương ứng với mức độ ô nhiễm của khí quyển càng cao. Để thảo luận chính xác và thuyết phục hơn chúng ta cần chỉ ra được mật độ son khí là bao nhiêu, thành phần gồm những loại hạt gì, phân bố kích thước và phân bố chiết suất của lớp son khí trong miền quan trắc… Đây là những kết quả bước đầu đáng ghi nhận của nhóm chúng tôi khi khai thác dữ liệu từ hệ lidar Raman nhiều bước sóng được xây dựng tại Hà Nội từ năm 2011.
Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu tại một số nơi trên thế giới và ở Hà Nội [6, 122].
Các khu vực đƣợc nghiên cứu Lớp tỷ số lidar
Bụi đô thị
Trung tâm châu Âu (EARLINET) Thành phố đông Á (ACE 2) Vùng bắc Mỹ (AERLINET) PBL FT FT 53 ± 11 45 ± 9 39 ± 10 Son khí vùng đông/nam Á Vùng bắc Ấn (INDOEX) Vùng nam Ấn (INDOEX) Vùng nam Á (INDOEX) Vùng nam Trung Quốc (PRD)
FT FT FT PBL 65 ± 16 37 ± 10 51 ± 20 47 ± 6
Phía bắc Trung Quốc (Beijing) PBL 38 ± 7
Hanoi PBL 40 ±11
Planetary boundary layer (PBL): lớp khí bề mặt trái đất; free troposphere (FT) : lớp son khí tự do phía trên (độ cao trên 1,5 km tới 5 km)
3.7. Kết luận chƣơng III
Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu trường gần từ hệ lidar Raman nhiều bước sóng và hệ lidar mini sử dụng laser diode ở bước sóng 905 nm khảo sát các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km. Từ các chương trình số xác định đặc trưng phân bố không gian biến đổi theo thời gian của các tham số vật lý đặc trưng như: độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt, độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar.
Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian thường dưới 5 km.
Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary layer) tồn tại ở độ cao ~1,5 km.
Hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị trung bình 40 ± 11, kết quả này là khá phù hợp với điều kiện đô thị Hà Nội và so sánh với một số đô thị khác theo công bố của các nhóm nghiên cứu như tại Bắc Kinh phía bắc Trung Quốc chỉ số đó là: 38 ± 7, tại một số thành phố nhỏ tại châu Âu trị số đó là: 53 ± 11.
Đây là những kết quả nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam trên hệ đo Raman phát triển tại Viện Vật lý. Những kết quả này đã được công bố trong các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả.
CHƢƠNG IV
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của mây Ti tầng cao
Lớp mây Ti tầng cao là lớp son khí tầng trên chúng là một mắt xích trong chu trình tuần hoàn nước của khí quyển. Tuy nhiên do đặc điểm phân bố trải rộng lên tới trên 30% diện tích phủ bề mặt trái đất và thường trong khoảng độ cao từ 6 km tới 20 km, chúng giữ một vai trò đặc biệt quan trọng như lớp áo bảo vệ trái đất trước bức xạ trực tiếp của mặt trời, chúng là lớp son khí dày đặc phía ngoài cùng trong lớp khí quyển trái đất. Với ý nghĩa đó, lớp mây Ti tầng cao được chúng tôi lựa chọn là đối tượng quan trắc, nghiên cứu trong chương này bằng kỹ thuật lidar. Từ đó chúng tôi tiến hành xác định các thông số quang đặc trưng cơ bản của lớp mây Ti như: đặc trưng phân bố không gian của lớp mây, đặc trưng độ dày, độ sâu quang học, đặc trưng khử phân cực… và sự thay đổi các tham số đó theo thời gian trong năm 2011.
4.1. Đặc trƣng phân bố không gian
4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 4.1 chúng ta có thể thấy rõ sự phân bố độ cao đỉnh của lớp mây Ti là khá ổn định và đó chính là vị trí gần với mức phân tầng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu của khí quyển quanh trái đất. Trong Hình 4.2 chúng ta cũng có thể thấy tùy vào điều kiện hình thành và thời điểm quan trắc mây, như đối với ngày 23/9/2011, mây Ti là các dải mỏng có hình dạng biến đổi như lông đuôi ngựa hoặc có khi rất dày và phân bố đều trong một lớp không gian lớn trong khí quyển như trong ngày 7/6/2011 và dày tới 5 km. Để rõ hơn chúng ta sẽ đi khảo sát kết quả về sự thay đổi độ cao của lớp mây theo các ngày đo khác nhau và phân bố nhiệt độ của lớp khí quyển tại khu vực tìm thấy mây Ti.
Để xác định sự phân bố của lớp mây Ti tầng cao và mối liên hệ độ cao của đỉnh lớp mây so với lớp phân tầng tropopause trước tiên chúng ta xét tới kỹ thuật xác định độ cao của mây Ti, kỹ thuật này tôi đã trình bày chi tiết trong bài báo [19], ở đây tôi xin đưa ra hình ảnh mô tả nguyên lý của thuật toán xác định độ cao đỉnh và đáy của lớp mây trong Hình 4.2.
11 13 15 17 13 14 15 17 Height of top Height of base Height of top Height of base
Hình 4.1: Mây Ti thu được từ tín hiệu đo của hệ lidar ở chế độ tương tự ứng với kênh phân cực theo phương song song thực hiện vào hai ngày 7/6/2011 và ngày 31/9/2011 với khoảng thời gian đo tương ứng trên hình [19].
Độ c
ao (km)
Giờ địa phƣơng (07 tháng 6 năm 2011) Giờ địa phƣơng (23 tháng 9 năm 2011)
Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây
Đỉnh lớp mây
Bằng chương trình số viết trên ngôn ngữ Matlab tôi xác định độ cao trung bình của đỉnh lớp mây Ti tầng cao, độ cao lớp phân tầng khí quyển theo tổng số lần quan trắc mây Ti thực hiện trong năm 2011 và số liệu radiosonde cung cấp bởi Trung tâm Viễn thám Quốc gia. Kết quả này được liệt kê trong Bảng 4.1 sẽ được phân tích và so sánh với một số địa điểm khác trong các công bố của những nhóm nghiên cứu khác trên thế giới sẽ được đưa ra thảo luận trong Bảng 4.2.
Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi của hai thông số vĩ mô đối với lớp mây Ti trên tầng khí quyển Hà Nội, được nhóm quan trắc trong năm 2011 [19].
Hình 4.2: a): Xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti tầng cao. b) Vị trí lớp phân tầng của khí quyển theo tín hiệu radiosonde tương ứng ở cùng một thời điểm [19].
Nhiệt độ (o
C)
Lo
g
(I.Z.Z)
Độ cao đỉnh lớp mây Ti tầng cao: 15,8 Km Độ cao đáy lớp mây Ti tầng cao: 14 Km
Tầng đối lƣu hạn 16,7 Km Độ cao (km) Độ c ao (km) L og(I.z 2 ) ( a.u ) a ) b )
Đặc trƣng mây Ti Giá trị trung bình Khoảng thay đổi
Độ cao đỉnh lớp mây Ti 14.3 km 11,8 tới 16,5 km Độ cao trung bình lớp mây Ti 13,4 km 12,5 tới 14,3 km
Độ dày lớp mây Ti 1,7 km 0,3 tới 3,8 km
Nhiệt độ tại đỉnh lớp mây Ti -65oC -79,3o tới -46 oC
Kết quả thống kê trên đây được rút ra trong tổng số 165 ngày đo, rải rác trong 12 tháng trong năm 2011, chiếm 45% trong tổng số ngày của năm. Tổng số ngày đo có tín hiệu xa trên 15 km, tức là có thể phát hiện mây Ti, là 25 ngày chiếm 15%. Trong đó số ngày phát hiện mây Ti là 14 ngày chiếm 56%. Ta thấy khí quyển của Hà Nội rất nhiều ngày có mưa và mù điều đó đã ngăn cản phép đo