3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Kết quả về sự thay đổi độ cao đỉnh của lớp son khí có liên quan trực tiếp với q trình hấp thụ bức xạ mặt trời trong ngày, đã được trình bày trong bài báo [19] của nhóm tác giả, như hình 3.5. Trong kết quả cơng bố ở bài báo [19] của nhóm nghiên cứu chúng tôi đi tới một số kết luận về độ cao của lớp son khí trung bình trong ngày, sự tăng lên của độ cao đỉnh lớp son khí vào thời gian nửa đầu ban ngày và giảm vào thời gian nửa chiều, tối và đêm. Q trình đó được lý giải bởi q trình hấp thụ và bức xạ năng lượng của mặt trời. Kết quả về độ cao của lớp son khí xác định ~1,2 km là khá phù hợp với những kết quả nghiên cứu khác ở những vị trí địa lý có nhiều điểm tương đồng so với Hà Nội như các công bố [25, 29, 54].
Trong Hình 3.5 thể hiện độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội vào ngày 27/5/2011 vào 3 thời điểm khác nhau: 10 giờ sáng, 4 giờ chiều và 20 giờ tối. Kết quả từ hệ đo lidar thể hiện quy luật nâng cao độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt vào thời gian buổi sáng đầu thời gian chiều và hạ thấp vào thời gian nửa cuối ngày vào ban đêm.
Hình 3.4: Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt. Vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt Khoảng cách (km) 𝐇 𝒛 𝒉 = 𝒅 𝑿 𝒅𝒛
Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí đặt hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực. Từ tín hiệu lidar đàn hồi chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao theo thời gian, điều đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ cao và theo thời gian. Sự phân tầng và độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt thay đổi thể hiện sự tồn tại các tầng son khí nhiễu loạn với mật độ khác nhau trong khoảng miền quan trắc và sự thay đổi liên tục độ cao đỉnh lớp bề mặt chứng tỏ vai trị của q trình đối lưu khí quyển gây ra do năng lượng bức xạ mặt trời. Quy luật tăng độ cao vào buổi sáng và giảm vào buổi chiều đối xứng tại đỉnh bức xạ của mặt trời vào khoảng 14h giờ địa phương. Quy luật này là hợp lý bởi bức xạ mặt trời vào ngày nắng sẽ đạt đỉnh vào giữa trưa, năng lượng hấp thụ sẽ làm tăng nhanh quá trình đối lưu làm nâng cao khối son khí gần bề mặt. Đến thời gian nửa cuối ngày khi năng lượng
I.Z
2
Hình 3.5: Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực hiện với tín hiệu vào buổi sáng, buổi chiều và buổi tối trong ngày 27/5/2011 tại Hà Nội [19].
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 HEIGHT(Km) G R A D IE N T O F P (Z ). Z 2
Lidar Signal: 27 MAY 2011 HA NOI
10 Am 4 Pm 8 Pm 1,215m 345m 285m Độ cao (km) ∆ 𝑿 /∆ 𝒛
lưu dữ trong khối khí giải phóng và hạ nhiệt độ khiến tỉ trọng khối khí tăng và hạ thấp độ cao.
3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao
Sử dụng phần mềm xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt cho tồn bộ tín hiệu ghi nhận trong tồn thời gian quan trắc ban đêm của hệ lidar diode ở bước sóng 905 nm. Chúng ta sẽ nhận được đồ thị như trong Hình 3.7 về sự biến đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt theo thời gian thực.
Chúng tôi đã sử dụng hệ lidar mini quan trắc liên tục lớp son khí bề mặt trong thời gian ban đêm tại Hà Nội. Từ số liệu quan trắc chúng tơi đi tìm sự thay đổi độ cao lớp son khí bề mặt theo thời gian thực. Tín hiệu quan trắc cho thấy sự phân bố độ cao đỉnh lớp son khí có xu thế giảm theo thời gian ở khoảng đầu
Vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp
Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian thưc trong ngày.
Độ c
ao (km)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Lớp mây tầng thấp
ngày, đạt cực tiểu vào khoảng thời gian 01h đến 03h và tăng nhẹ vào đầu giờ sáng – bình minh khi có bức xạ nhiệt của mặt trời của ngày mới. Thời điểm thực hiện phép đo là những ngày trời nắng của mùa thu Hà Nội – ngày 06/10/2012, khi nhiệt độ ở mặt đất có sự thay đổi mạnh giữa đêm và ngày. Sự thay đổi này chúng ta có thể lý giải như sau: Vào ban ngày năng lượng bức xạ mặt trời gây ra hoạt động khuếch tán mạnh trong lớp son khí tồn tại ở bề mặt do đối lưu đưa lên cao. Về đêm khi nhiệt độ xuống thấp và xảy ra sự bức xạ năng lượng ở chính các đám son khí (hiện tượng hấp thụ tại bề mặt trái đất) và lớp mặt đệm môi trường làm chúng hạ nhiệt và đồng thời hạ độ cao, khiến mật độ son khí ở sát mặt đất tăng thể hiện ở màu sắc cường độ tín hiệu chuyển dần thành đỏ hơn khi độ cao đỉnh lớp son khí giảm. Lớp son khí sát mặt đất trở nên dày đặc hơn vào thời điểm nửa đêm về sáng, từ 1h đến 3h. Và đến đầu giờ bình minh (~4 h) thì lớp son khí có xu thế tăng độ cao do sự đối lưu bởi bức xạ năng lượng mặt trời. Từ thơng số quan trắc lớp son khí tầng cao bằng hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode cho phép chương trình xử lý số liệu tự động xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt.
Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012.
Độ c
ao (km) Đỉnh lớp son khí bề mặt Mây tầng cao
22 01 04
3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode
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 cơng 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
Tơi 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, khơng 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 khơng 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 khơng gian truyền qua của bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi mơi 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 trị 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 mơ 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 cơng bố trong cơng 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 tốn độc lập sử dụng tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi từ hệ lidar nhiều bước sóng chúng tơi 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 cơng 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 đơ thị, thơng 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 ơ 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 tơi 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 đơng/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 khơng 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